De zoektocht naar toepassingen voor kwantumcomputers

Kwantuminformatica vormt een nieuw paradigma om berekening uit te voeren met het potentieel om problemen te behandelen die ver buiten de mogelijkheden van klassieke computers liggen. Kwantumcomputers bewerkstelligen dit door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van materie op nanoschaal. Kwantum bits (qubits) moeten, in tegenstelling tot klassieke bits, niet 0 of 1 zijn maar kunnen simultaan deels 0 en 1 zijn. Deze bizarre mogelijkheid om in een superpositie van toestanden te zijn wordt pas echt duidelijk als je het toepast op alledaagse dingen. Dat vond ook Schrödinger, een pionier in de ontdekking van de kwantummechanica, die besloot dat er iets mis moest zijn met de door hem geformuleerde wet omdat het impliceert dat zijn kat simultaan levend en dood kan zijn. Of dat dat alles nog niet genoeg is, kunnen verschillende systemen ook verstrengeld geraken. Verstrengeling kan zo sterk zijn dat geen enkele klassieke correlatie het kan verklaren. Een mooie illustratie hiervan is de duiventil paradox: Drie kwantum duiven passen namelijk in twee vakjes zonder dat er twee duiven in hetzelfde vak zitten. U leest het correct!

Het zijn deze bijzondere eigenschappen van superpositie en verstrengeling die kwantumcomputers in staat stellen bepaalde berekeningen exponentieel veel sneller uit te voeren dan hun klassieke tegenhanger. Het merendeel van de voorgestelde toepassingen, zoals het algoritme van Shor dat gebruikt kan worden om RSA-encryptie te ontcijferen, gebruiken een groot aantal qubits van zeer hoge kwaliteit. De huidige generatie aan kwantumcomputers heeft echter maar een beperkt aantal qubits. Bovendien maken ze ook nog vaak fouten. Eén van de meest prangende vragen is of we deze generatie kwantumcomputers kunnen gebruiken om nuttige berekeningen uit te voeren.

Het ontwikkelen van toepassingen is geen sinecure. Hoe maak je immers gebruik van het feit dat Schrödingers kat zowel levend als dood tegelijk kan zijn? Pragmatisch gezien zouden kwantumcomputers bijzonder krachtig moeten zijn om problemen op te lossen die stiekem onderliggende kwantumcorrelaties bevatten, in tegenstelling tot de meeste problemen in data-analyse waarbij de data volledig klassiek is. Inferentie van kernspinresonantie spectra is in dat opzicht een perfect probleem, vermits de spectra bepaald worden door de complexe kwantumdynamica van kernspins. Bovendien heeft het veel klinische en medische toepassingen. Mijn collega’s van de universiteit van Harvard en ik hebben aangetoond hoe je kwantumvoordeel kan halen bij het identificeren van moleculen via een combinatie van artificiële intelligentie en kwantum berekeningen.

Kernspinresonantie kent u waarschijnlijk het best van een MRI-scan. Een MRI-scan maakt gebruik van hetzelfde fenomeen: atomen worden in een sterk magnetisch veld geplaatst en bestraald met microgolven waardoor hun kernspins gaan trillen. De intensiteit van deze trillingen wordt opgemeten en resulteert in een medisch beeld. Door de frequentie van de microgolven te veranderen kan je echter ook een spectrogram maken, wat informatie bevat over de moleculaire eigenschappen van het systeem. Deze informatie zit echter verscholen in een bos van complexe spectraallijnen. Het is in het ontwarren van dat kluwen aan pieken dat kwantumcomputers hun nut bewijzen. Moleculaire identificatie ondersteund door kwantum berekeningen heeft toepassingen in de metabolomica, de studie van kleine moleculen in het menselijk lichaam. Concrete voorbeelden van toekomstige toepassingen zijn de ontwikkeling van geneesmiddelen en de karakterisatie van het metaboloom voor individuele patiënten.