Nederland loopt binnen Europa voorop met de ontwikkeling van quantumcomputers. In Delft wordt hard gewerkt aan de supercomputer van de toekomst, die over een enorme rekenkracht beschikt. Een van de nieuwste ontwikkelingen van het Nederlandse start-up QuantWare is een versterker, die onder de benodigde zeer koude temperatuur signalen kan uitlezen.
Quantumcomputers gelden al jaren als de grote belofte voor de toekomst. De gewone computers die we in ons dagelijkse leven gebruiken, hebben vaak moeite met het uitvoeren van complexe berekeningen en het doen van voorspellingen. Een quantumcomputer maakt gebruik van kwantumtechnologie om meer precieze berekeningen met grotere hoeveelheden data uit te voeren. Zo maakt ze een veel nauwkeurigere simulatie mogelijk van diverse complexe processen, zoals bijvoorbeeld de interactie van atomaire deeltjes.
“Vergelijk het met een groot, supersnel telraam”, zegt Kees Eijkel, directeur Business Development van QuTech, een samenwerking tussen de Technische Universiteit Delft en TNO. “Een quantumcomputer werkt heel anders dan een gewone computer. Waar normale computers bits gebruiken, informatie-eenheden die 1 of 0 kunnen zijn, gebruiken quantumcomputers quantumbits. Die qubits kunnen ook alles tussen 1 en 0 zijn, waardoor je er een enorme hoeveelheid informatie in kan hebben. Hierdoor kan een quantumcomputer ingewikkelde vraagstukken oplossen waarvoor extreem veel rekenkracht wordt gevraagd.”
Eijkel noemt het voorbeeld van een fabrikant die een andere katalysator in zijn chemische proces wil. “Vooraf wil hij natuurlijk weten of dat succesvol gaat zijn. Een quantumcomputer kan hem vertellen hoe moleculen X, Y en Z zich zullen gedragen in die chemische fabriek en of ze een efficiënte productie zullen bespoedigen. Andere computers bijten hun tanden stuk op zo’n vraag. Ook in optimalisatieprocessen kan een quantumcomputer het verschil gaan maken. Zoals bijvoorbeeld in de logistiek en energiehuishouding. Bedrijven krijgen straks betere en snellere oplossingen.”
Strategisch voordeel
QuTech werd in 2015 opgericht, met als doel om van Nederland een centrum van quantumtechnologie te maken. Eijkel: “De kracht van quantumcomputers is enorm groot, en kan straks voor heel belangrijke rekenproblemen worden gebruikt. Wie erover kan beschikken, heeft een strategisch voordeel. Dat is ook de reden dat regeringen – zoals de VS, China en tegenwoordig ook Europa – boven op deze technologie zitten en de controle willen hebben over de toekomstige supply chain.” Nederland loopt in Europa voorop, maar moet niet denken dat het tegen kapitaalkrachtige grootmachten als China of de VS kan opboksen, weet Eijkel. “Wij zullen de rest van Europa nodig hebben om met elkaar een volledige quantumcomputer supply chain te kunnen opbouwen. Nederland is daarin een leidende partij binnen Europa. Ons onderzoek is internationaal van het hoogste niveau. De breedte en reikwijdte van het onderzoek dat QuTech doet, maakt ons uniek.”
Koets zonder paard
De ontwikkeling van de nog jonge technologie is vergelijkbaar met die van de allereerste auto’s, vindt Eijkel. “Rond 1880 waren er veel verschillende auto-concepten. Het werd een koets zonder paard met een motortje. Voor die motor waren verschillende oplossingen in de race voor een doorbraak. Aanvankelijk zetten de meeste investeerders hun geld in op houtgas, omdat hout overal beschikbaar was. Het liep anders, maar het begin was er. Tegenwoordig weten wij nog niet welke qubit-kandidaat uiteindelijk het handigst is voor de ontwikkeling van quantumtechnologie. Het zouden er ook meerdere kunnen zijn. Waar veel spelers kiezen voor een verticale aanpak: één type qubit, één type computer, zeggen wij: op elk niveau zijn er meerdere mogelijkheden. En wij blijven aan die mogelijkheden werken zolang ze nog een kans hebben om te winnen.’
Schaalbaar maken
Het zijn ontwikkelingen waar Wouter Wesselink over kan meepraten. Hij werkt bij QuantWare, één van de vele quantum-startups in Delft, dat binnen Europa als het Silicon Valley van quantumtechnologie wordt gezien. QuantWare ontwikkelt verschillende onderdelen voor quantumcomputers, waaronder supergeleidende qubits. Het bedrijf richt zich vooral op de schaalbaarheid van quantumprocessor, oftewel de kern van de computer. “Het schaalbaar maken is één van de grootste problemen waar de quantumgemeenschap wereldwijd tegenaan loopt”, vertelt Wouter Wesselink. “Dat heeft alles te maken met de microscopisch kleine kabeltjes die je op de chip moet trekken, waarmee de qubits signalen verzenden en ontvangen. Als de chip heel erg groot wordt, dan moeten er een heleboel kabeltjes naar toe die over elkaar heen moeten lopen. Dat leidt tot verstrooiing, interferentie en andere ongewilde effecten.”
QuantWare werkt daarom met 3D-technologieën, waardoor de kabeltjes naar de qubits niet meer over elkaar heen hoeven. Wesselink: “Wij gebruiken een horizontale chip met daarop Q-bits en daarop plaatsen we een verticale adapter. Daarin kunnen we andere onderdelen integreren. Op die manier kun je alle onderdelen als losse doosjes in één processor stoppen. Dat maakt het eindeloos veel schaalbaarder, want deze architectuur is breed toepasbaar voor alle verschillende supergeleidende qubits.”
Belangrijke stappen
Het maken van een 3D-connectie is niet eenvoudig, maar toch maakt QuantWare belangrijke stappen. Zo wist het bedrijf een versterker te ontwikkelen, die essentieel is om signalen te kunnen uitlezen. “Supergeleiding werkt alleen bij het absolute nulpunt waarop alle moleculen tot stilstand komen. De processor heeft daarom een enorme vriezer die dat punt kan bereiken. Wanneer je informatie uit een qubit wil halen, moet je die op kamertemperatuur zien te krijgen. Het gaat om zwakke signaaltjes die op kamertemperatuur verstoord worden door thermische ruis. We hebben daarom een versterker ontwikkeld die bij koude, supergeleidende temperaturen met een factor 100 of meer kan versterken. Binnen een quantumcomputer heb je heel veel van die versterkers nodig om de informatie uit te kunnen lezen.”
Omdat de technologie nog volop in ontwikkeling is, zijn quantumcomputers nog niet op de markt. Veel bedrijven die de verschillende onderdelen voor quantumcomputers ontwikkelen, maken daarom nog geen of weinig commerciële omzet. QuantWare is hier een uitzondering op, ook al is het bedrijf deels nog afhankelijk van investeerders, subsidies en leningen zoals het Innovatiekrediet (zie kader) van de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO). Daarnaast verkoopt het bedrijf onderdelen aan wetenschappers en andere bedrijven in de keten die ermee willen experimenteren.
Innovatiekrediet
Het Innovatiekrediet is een financiële regeling die bedrijven ondersteunt bij het ontwikkelen van hoog risicovolle innovatieve technische of klinische projecten. Als het project slaagt, betaalt het bedrijf het krediet terug, met rente. Als tijdens het project blijkt dat er een vergrote kans is dat het bedrijf de lening of het krediet niet terug kan betalen, krijgt de onderneming extra begeleiding. Het Innovatiekrediet wordt uitgevoerd door Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO) namens het ministerie van Economische Zaken.
Leren van de markt
Wesselink: “Ik zie dat er steeds meer bedrijven in de keten komen en partijen die investeren. Zo hebben we nu steeds meer klanten vanuit high-performance computing. Dat zijn partijen die supercomputers maken en inzien dat ze op lange termijn de overstap naar quantum moeten maken. Op een bepaald moment zullen quantum computers betere computers zijn dan de huidige supercomputers. Daarom willen ze er nu al in investeren. Ook verschijnen er steeds meer systeemintegratoren in de keten. Zij hebben de kennis om uit alle verschillende onderdelen – waaronder die van ons – een quantumcomputer kunnen bouwen en verkopen die weer door. Ons klantbereik breidt zich hierdoor snel uit Hierdoor hebben we ook al interactie met klanten, zodat wij leren van de markt en onze productie kunnen opschalen.”
Robuust wereldwijd product
QuantWare heeft sinds de goedkeuring van het Innovatiekrediet al veel succes geboekt. Wesselink: “We hebben al veel technische doelen behaald en leren continu bij. Met QuantWare leveren we een robuust en uniek product dat wereldwijd verschillende knelpunten kan oplossen. Het zou erg gaaf zijn als we Nederland hiermee in de technologische industrie verder op de kaart kunnen zetten.”