Deze onderzoeksgroep schrijft de software van de toekomst
Wetenschappers van over de hele wereld zijn in een razend tempo bezig met de ontwikkeling van quantumcomputers. Veel geld en aandacht gaat naar het bouwen van quantumhardware, maar de software is het ondergeschoven kindje volgens hoogleraar informatica Harry Buhrman. ‘Uiteindelijk is quantumsoftware net zo belangrijk, of misschien zelfs wel belangrijker dan de hardware.’
Midden op Science Park zit het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI). Daar binnenin zit QuSoft, het eerste onderzoekscentrum dat zich alleen met de toepassingen van de quantumcomputer bezighoudt. Hier werken wiskundigen, natuurkundigen en informatici onder leiding van Buhrman aan quantumsoftware.
Joran van Apeldoorn is een promovendus die bij QuSoft onderzoek doet. Hij vertelt hoe de quantumcomputer ontstond. ‘Toen natuurkundigen zich steeds meer bezighielden met quantumfysica, dachten ze: waarom maken we niet een computer die zelf gebruik maakt van quantummechanische principes? Dan kunnen we daarop berekeningen uitvoeren die te maken hebben met quantumfysica, iets wat lastig is op normale computers.’
Quantumfysica is een gebied binnen de natuurkunde dat de wereld op het allerkleinste niveau beschrijft. De klassieke mechanica beschrijft bijvoorbeeld hoe biljartballen tegen elkaar botsen. Als je echter naar hele kleine biljartballen gaat kijken, dan klopt die klassieke theorie niet meer. Quantummechanica omschrijft hoe die kleine balletjes zich gedragen. Deze theorie zegt dat een object zich tegelijkertijd in verschillende toestanden kan bevinden. Een biljartbal kan dan bijvoorbeeld gelijktijdig op twee verschillende plekken op de biljarttafel liggen. Dit wordt superpositie genoemd. ‘Onderzoekers zijn het er niet over eens hoe je deze wiskundige theorie precies moet interpreteren,’ zegt Buhrman. Hij wijst een chocoladeletter in de vorm van een Q van QuSoft aan en maakt een grapje: ‘Deze is gemaakt van witte chocolade, maar heeft een rode kleur. Eigenlijk bevindt deze letter zich tegelijkertijd in twee toestanden.’
Buhrman legt uit dat klassieke computers werken met bits die 0 of 1 zijn. ‘Quantumbits, de bouwstenen van een quantumcomputer, kunnen gelijktijdig 0 en 1 zijn. Ze zijn dan in superpositie. Deze bits moeten dus anders geprogrammeerd worden. Hoe dat precies werkt en wat je er allemaal mee kunt doen, zijn we nog aan het ontdekken. We kennen al een aantal toepassingen, maar die vormen nog maar het topje van de ijsberg.’
Lekker snel
Promovendus Koen Groenland zegt dat we met quantumcomputers vier grote dingen kunnen uitvoeren. ‘In eerste instantie zijn ze ontwikkeld om quantummechanische berekeningen te verrichten. Daarnaast kraken ze codes, zoals de internetbeveiliging die je in je browser ziet aangegeven met een slotje, in veel kortere tijd dan klassieke computers dat doen. Verder gaat het zoeken in databases sneller. Tenslotte kun je quantumcomputers inzetten voor machine learning, waarbij een computer zichzelf een taak aanleert op basis van grote hoeveelheden voorbeelden.’ Toch houdt hij daarbij een slag om de arm. ‘Quantum machine learning is een mooi buzz word, maar het is nog onduidelijk of het in de praktijk meerwaarde kan bieden.’
Van Apeldoorn wil daar graag een vijfde punt aan toevoegen. ‘Met quantumcomputers kunnen we internet maken waarmee we quantumgegevens verzenden,’ zegt hij. ‘Hiermee is het mogelijk om gegevens echt goed te versleutelenVersleutelen betekent dat iets onleesbaar wordt gemaakt, zodat niet iedereen hier zomaar toegang tot heeft..’ Door quantuminternet zullen quantumcomputers dan op dezelfde manier in verbinding met elkaar staan als wat we nu met onze eigen computers gewend zijn, maar de communicatie via dit internet zal veel veiliger zijn.
Met de quantumcomputer worden bepaalde ingewikkelde berekeningen dus een stuk sneller uitgevoerd. Maar met alleen de fysieke componenten van de computer, de hardware, ben je er niet. ‘Je hebt veel tijd en geld nodig om software voor een quantumcomputer te ontwikkelen,’ zegt Buhrman. ‘Op dit moment wordt juist veel geld en energie gestoken in hardware. Hardware is heel belangrijk, maar die kun je in de toekomst gewoon bij de supermarkt kopen.’
Manifest
Buhrman heeft samen met andere wetenschappers en grote bedrijven, zoals het technologiebedrijf Bosch en het IT-bedrijf Atos, het quantumsoftware-manifest geschreven. In het manifest staat dat de software belangrijk is om succesvolle quantumcomputers te creëren. ‘Met het manifest willen we aan bedrijven, beleidsmakers en nationale overheden laten zien dat investeringen in quantumsoftware hand in hand moeten gaan met die van quantumhardware,’ bespreekt Buhrman. ‘Zij hebben namelijk allemaal interesse in quantumcomputers. Het is daarom belangrijk dat we meer mensen vinden die de software gaan ontwikkelen, bijvoorbeeld studenten van natuurkunde, wiskunde en informatica. We zijn nu bezig met het ontwikkelen van nieuw onderwijs binnen het quantumvakgebied.’
Groenland en Van Apeldoorn zijn in ieder geval al bezig met de ontwikkeling van software. ‘Wij kijken vooral naar de wiskunde achter de quantumsoftware,’ vertelt Van Apeldoorn. ‘Het is niet zo dat wij zitten te programmeren.’ ‘Wat wij doen is heel theoretisch,’ beaamt promovendus Yfke Dulek, die ondertussen bij Groenland en Van Apeldoorn is gaan staan. ‘Vaak zijn we aan het nadenken bij een whiteboard.’
Trial and error
‘De groep waarin we werken is heel sociaal,’ vindt Van Apeldoorn. ‘We doen veel samen. Je praat steeds met elkaar in groepjes en tijdens vergaderingen. Papers schrijven we meestal ook samen.’ Groenland voegt hieraan toe: ‘Soms moeten we eerst veel onderzoeksartikelen over quantumsoftware lezen voordat we erover praten. Tijdens het lezen loop je dan bijvoorbeeld tegen een probleem aan. Je begrijpt een algoritme dat in een artikel staat niet. Daar hebben we het dan over.’
Verschillende algoritmes vormen samen software. Het zijn een soort stappenplannen waarmee de computer berekeningen doet. ‘Uiteindelijk ga je zelf een nieuw algoritme in de computer uittekenen om te kijken of dat wat is,’ zegt Groenland. Van Apeldoorn geeft met een lach toe: ‘Het kan wel twintig keer mislukken om iets te bewijzen, voordat je eindelijk bij het juiste idee terechtkomt.’ ‘Soms heb je al een voorgevoel of het gaat werken of niet, doordat je dit met anderen bespreekt,’ vult Dulek aan.
De quantumrevolutie heeft niet alleen goede software nodig. We moeten daarnaast goed nadenken over de verschillende invloeden van de quantumcomputer op de maatschappij, vindt hoogleraar Buhrman. ‘Je hoeft niet gelijk in gevaren te denken, maar het is goed om de gevolgen van de quantumcomputer alvast in kaart brengen en te bedenken hoe je daarmee omgaat,’ geeft hij aan. Promovendus Groenland bekent: ‘Eerst had ik echt het gevoel: zijn we niet verkeerd bezig nu we software aan het maken zijn waarmee je gemakkelijk veel codes kunt kraken? Maar het is goed dat we dit al weten, nog voordat de hardware beschikbaar is. Hierdoor kunnen we nu al onderzoeken wat quantumtechnologie voor gevolgen kan hebben, zodat digitale communicatie straks niet van de ene op de andere dag onveilig wordt.’
Het quantumsoftware manifest kun je op de website van QuSoft bekijken en ondertekenen.
