Microsoft wil met quantum computing bijdragen aan een betere wereld

Techgigant Microsoft heeft de afgelopen jaren quantum computing of het ontwikkelen van een computeromgeving met gigantische rekenkracht tot één van de beleidsspeerpunten gemaakt. De opening van het gezamenlijk onderzoekslaboratorium met de TU Delft begin dit jaar maakt hier onderdeel van uit. Techzine sprak met National Technology Officer (NTO) Hans Bos van Microsoft Nederland over waarom het bedrijf zich hiermee bezighoudt en wat het uiteindelijk voor zowel het bedrijf als de maatschappij moet opleveren.

Sinds afgelopen februari is ons land met de opening van het Microsoft Quantum Lab op het terrein van de TU Delft een nog belangrijkere speler geworden op het gebied van onderzoek naar de rekenkracht op basis van quantum mechanica, ofwel quantum computing. In het kort is deze vorm van computing anders door de bits, die bij wijze van spreken tegelijkertijd een ‘1’ of een ‘0’ kunnen zijn. Dit zijn de ‘quantum bits of ‘qubits’.

Dat de qubit tegelijkertijd in deze beide statussen van 1 en 0 kan zijn, komt door een zogeheten quantum mechanisch effect; ‘superpositie’. Pas bij het uitlezen krijgen de qubits een status, een ‘1’ of een ‘0’. Deze status wordt toegekend op basis van wat de meest waarschijnlijke optimale status moet zijn in antwoord op een ‘vraag’. Door dit met zoveel mogelijk qubits te doen, ontstaat er een vrijwel onbegrensde rekenkracht. Deze quantum rekenkracht wordt dan aan een klassieke digitale computeromgeving verbonden voor de instructie van aan- en het uitlezen van de qubits.

Qubits op basis van ‘majorana’-deeltjes en Lego-steentjes

In het nu geopende lab onderzoeken de techgigant, de TU Delft, het Delftse quantumtechnologiebedrijf QuTech en TNO het ontwikkelen en bouwen van de qubits via een speciale methode. Zij willen deze qubits realiseren op basis van een ‘topologische’ structuur op basis van een revolutionaire technologie met zogeheten ‘majorana’-deeltjes.

Deze topologische qubits vormen daarnaast een soort ‘Lego-steentjes.’ Met deze blokjes kunnen vervolgens specialistische chips worden gebouwd. In een later stadium kunnen de chips binnen een computeromgeving, de quantum computer, met extreem hoge snelheden en dus rekenkracht processen uitvoeren. De topologische qubits vormen dus de basis voor de uiteindelijke quantum computer.

Overige qubit-varianten

Aan de TU Delft worden ook andere projecten uitgevoerd om qubits te genereren: met behulp van elektrische schakelingen van supergeleidend materiaal, diamantkristallen waarin elektronen worden gevangen en quantum dots waar vrije elektronen in klassieke siliciumchips worden ‘gevangen’.

Deze methoden hebben echter niet de juiste robuustheid die voor quantum computers nodig is. Zij hebben meer verstoringen dan de op de majorana-deeltjes gebaseerde qubits. De kans op verstoringen is erg belangrijk bij quantum computing, aangezien een beperkte hoeveelheid ruis al de toestand kan vernietigen waarin deeltjes in superpositie zijn.

Voor het brengen van rekenkracht, moet deze superpositie langer standhouden dan de berekeningen duren. Er zijn wel correctiemethoden toepasbaar, maar die leveren bij rekenkracht toch nog veel problemen op. Onder meer op de terreinen van productie en schaalbaarheid.

Mogelijkheden van quantum computing

Met quantum computing kunnen straks, vergeleken met de supercomputer-omgevingen waarover we nu beschikken, op hoge snelheid complexe rekenprocessen worden uitgevoerd. Straks wordt het dus mogelijk, zo voorspellen onderzoekers van de TU Delft, om binnen heel korte tijd complexe berekeningen te maken voor schonere energie-alternatieven, zoals het ontwikkelen van de perfecte batterijcapaciteit.

Een ander voorbeeld van wat quantum computing mogelijk maakt, vinden we in de gezondheidssector. Door de supersnelle rekenkracht wordt het straks eenvoudiger om medicijnen op maat voor patiënten te ontwikkelen. Hiermee ontstaan dan echt sterk gepersonaliseerde, tot op DNA-niveau, behandelmethodes.

Tot slot kan ook het internet gaan profiteren van quantum mechanica. Een ander quantum-effect maakt communicatie mogelijk die niet valt af te luisteren. Bovendien maakt zogeheten Quantim Key Distribution geavanceerde beveiliging van communicatie mogelijk.

Microsoft en TU Delft

Microsoft toont al langere tijd veel interesse in de ontwikkelingen rondom quantum computing en is daarom serieus de samenwerking met de TU Delft aangegaan, laat Bos weten. De samenwerking met juist deze technische universiteit is vooral ingegeven doordat de techgigant, tegenover alle andere methoden, de topologische benadering als de beste ziet.

Volgens Microsoft is de topologische benadering de meest stabiele vorm voor qubits en dus voor de uiteindelijke ontwikkeling van de quantum computer. Bovendien sluit de techniek aan bij de langetermijnvisie op het gebied van quantum computing van de techgigant.

Langetermijnvisie voor oplossen (zakelijke) problemen

Deze langetermijnvisie, ooit ontwikkeld door Craig Mundie en mede op basis van door Michael Freedman’s ideeën en publicaties over topologische quantum computing, gaat uit van stabielere qubits voor realistisch op te lossen grote maatschappelijke en zakelijke problemen.

Bij de zoektocht naar de meest stabiele vorm van qubits, kwam de techgigant uit bij het nano-technologisch onderzoek in Nederland. Dit onderzoek, waarbij Microsoft zich realiseerde dat dit aansloot op de zoektocht naar topologische quantum computing, kwam af van natuurkundige Leo Kouwenhoven, die nu het laboratorium leidt. De rest is -zoals de Engelsen zeggen- eigenlijk geschiedenis, aldus Bos.

Microsoft zet zich dus nu volledig op deze laatste ontwikkeling in. Niet alleen met het laboratorium aan de TU Delft, maar ook in specifieke onderzoekscentra in Denemarken, Australië en in de Verenigde Staten. Dit laatste onderzoekslaboratorium, Station Q, is min of meer leidend omdat daar de hele theoretische ontwikkeling rondom quantum computing in de gaten wordt gehouden. Maar het Microsoft-lab in Delft is echter wel het meest volledige onderzoekslab waarover de techgigant beschikt, stelt Bos.

Quantum computing as-a-service

De techgigant draagt dus zeer gemotiveerd bij aan de ontwikkeling van quantum computing in de wereld, maar daar moet natuurlijk ook wat tegenover staan. Aan Bos dus de vraag wat de techgigant, naast het willen bijdragen aan het oplossingen van grote problemen in de wereld, ook zakelijk met quantum computing wil gaan bereiken. Bijvoorbeeld door quantum computing via het eigen public cloudplatform Azure als dienst te leveren.

In zijn antwoord geeft de NTO van Microsoft Nederland inderdaad aan dat de techgigant al werkt aan een aantal toepassingen waardoor zijn klanten al met quantum computing kunnen kennismaken. Het belangrijkste is dat iedereen eigenlijk optimaal toegang krijgt tot deze supersnelle rekencapaciteit.

Een combinatie van ‘klassieke’ rekenkracht en die van quantum computing is hierbij de meest voor de hand liggende oplossing, zo gaat Bos verder. Dat deze capaciteit dan wordt aangeboden via een as-a-servicemodel via Azure ligt dan natuurlijk wel in de lijn der verwachting.

Speciaal Quantum Development Toolkit

Op dit moment zet Microsoft voor dit as-a-service-model eigenlijk al de eerste stappen. Via internet kan een gratis Quantum Development Kit worden gedownload waarmee gebruikers via Visual Studio met gesimuleerde qubits berekeningen kunnen uitvoeren en zo nieuwe algoritmes kunnen ontwikkelen. Al naar gelang de rekencapaciteit van het device waarop eindgebruikers deze tool gebruiken, krijgen ze de beschikking over 20 tot 30 gesimuleerde qubits op een laptop of tot 40 gesimuleerde qubits vanuit Azure voor de meest complexe algoritmes.

De toolkit vindt volgens de NTO van Microsoft Nederland al veel aftrek vanuit de financiële-, de gezondheids-, chemische- en landbouwsectoren. Ook de olie- en gassector kijkt met veel interesse naar de mogelijkheid om gesimuleerde quantum computing-diensten te gebruiken.

Daarnaast signaleert Microsoft dat deze quantum development toolkit voor algoritmes ook weer aanzet tot het op klassieke wijze bedenken van nieuwe algoritmes. Bedrijven krijgen tijdens het gebruik van de tool weer nieuwe perspectieven hoe zij met de bestaande of ‘klassieke’ methodes algoritmes beter kunnen ontwikkelen en waar zij deze goed voor kunnen inzetten. Ze raken zogezegd ‘quantum inspired’, aldus Bos tegenover Techzine.

Ook helpt Microsoft bedrijven in de chemische industrie op weg met speciale down te loaden open ‘libraries’ voor de quantum toolkit. Onlangs nog met een integratie naar de open source webapplicatie ‘Jupyter notebooks’. Hiermee geeft de techgigant deze bedrijven eigenlijk een steuntje in de rug om na te gaan denken over nuttige en bruikbare quantum algoritmes voor deze specifieke bedrijfssector.

 

(Bron: Microsoft)

Nationale Agenda voor quantum computing

Microsoft neemt dus op ontwikkelingsgebied en voor het bedenken van daadwerkelijk te gebruiken toepassingen voor quantum computing graag het voortouw. Maar de techgigant vindt ook dat zij dit niet alleen moeten doen, zeker niet in Nederland. Vandaar dat het bedrijf zich ook actief inzet om van Nederland de echte quantum hub of, in de woorden van CEO Ernst-Jan Stigter van Microsoft Nederland, de ‘Capital of Quantum’ te maken.

Hiervoor wil de techgigant graag alle belangrijke partijen in ons land bij elkaar brengen die de ontwikkeling en het uiteindelijk gebruiken van quantum computing voor Nederland tot een groot succes kunnen maken.

Denk hierbij aan samenwerking tussen de verschillende academische instellingen, zoals de TU Delft, de TU/e in Eindhoven, de UVA, VU en het rekeninstituut SARA in Amsterdam en de Universiteit Leiden. Al deze instellingen doen niet alleen onderzoek naar hardware, maar ook naar speciale materialen, softwaretoepassingen en specifieke oplossingen voor onder meer een ‘nieuw internet’ en securitytoepassingen.

Andere belangrijke instituten van groot belang bij dit Nederlandse quantum-onderzoek zijn, naast andere bedrijven, onder meer TNO voor praktisch onderzoek of Startup Nederland voor het beter faciliteren en stimuleren van startups op het gebied van quantum computing. Samenwerking tussen al deze spelers moet dan ook gaan leiden tot een soort van ‘Nationale Agenda’ voor quantum computing.

Volle aandacht van techgigant

Quantum computing heeft in ons land dus de volle aandacht. Microsoft helpt hierbij actief door met het recent geopende laboratorium aan de TU Delft, binnen een compleet nationaal samenwerkingsverband, de eerste belangrijke bouwstenen te ontwikkelen. Zonder stabiele qubits immers geen echte quantum computer.

Ook neemt de techgigant de eerste stappen met gesimuleerde quantum computing-modellen, al dan niet via Azure, om het bedrijfsleven en daarbinnen relevante sectoren alvast op weg te helpen.

Microsoft speelt dus een echte voortrekkersrol. We blijven benieuwd naar welke stappen al deze samenwerkingsverbanden onder leiding van de techgigant nog gaan zetten in dit ingewikkelde high tech ontwikkelproces. Maar vooral ook wat dit nu allemaal in de praktijk oplevert en hoe dit wordt ingezet.