Google bewijst voor het eerst aantoonbaar kwantumvoordeel: Willow-chip 13.000 keer sneller dan supercomputer

De eerste verifieerbare kwantumoverwinning ooit

Google Quantum AI heeft een mijlpaal bereikt die onderzoekers al decennialang nastreven: het eerste aantoonbare, verifieerbare kwantumvoordeel ten opzichte van klassieke computers. Het team publiceerde de resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Nature, waar de doorbraak ook de voorpagina haalde. Het algoritme heet Quantum Echoes en draait op Googles Willow kwantumprocessor. De chip voerde het algoritme 13.000 keer sneller uit dan de Frontier-supercomputer, momenteel een van de snelste klassieke computers ter wereld.

Wat dit resultaat onderscheidt van eerdere kwantumclaims, is de verifieerheid. In 2019 claimde Google al eens "kwantumsuprematie", maar die bewering stuitte op kritiek omdat het probleem dat de kwantumcomputer oploste, geen praktische toepassingen had en de resultaten moeilijk te controleren waren. Met Quantum Echoes is dat anders: het algoritme berekent zogeheten kwantumverwachtingswaarden, grootheden als stroom, snelheid en magnetisatie. Deze zijn reproduceerbaar en kunnen worden geverifieerd door twee verschillende kwantumcomputers naast elkaar te draaien en de uitkomsten te vergelijken.

Hoe werkt het Quantum Echoes-algoritme?

Het algoritme berekent een out-of-order tijdscorrelator (OTOC), een wiskundige methode om te meten hoe kwantuminformatie zich verspreidt door een systeem. In samenwerking met de Universiteit van Californie in Berkeley werd het algoritme ingezet om twee moleculen te bestuderen: een met 15 atomen en een met 28 atomen. De resultaten van de kwantumcomputer kwamen overeen met die van traditionele NMR-spectroscopie, maar leverden tegelijkertijd aanvullende informatie die klassieke methoden niet kunnen bieden.

De Willow-chip maakt gebruik van 65 van zijn 105 beschikbare qubits voor deze berekening. Qubits zijn de kwantumequivalent van klassieke bits, maar kunnen dankzij kwantummechanische eigenschappen als superpositie en verstrengeling complexe berekeningen exponentieel sneller uitvoeren. Het feit dat de chip de berekening in enkele uren voltooide, terwijl Frontier naar schatting meerdere jaren nodig zou hebben, illustreert het schaalverschil.

Toepassingen in geneesmiddelen, batterijen en energie

De praktische relevantie van deze doorbraak ligt in drie concrete toepassingsgebieden. Ten eerste kan kwantum-verbeterde NMR-spectroscopie bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe medicijnen: door moleculaire interacties sneller en nauwkeuriger te modelleren, kan de farmaceutische industrie de ontwikkeltijd van geneesmiddelen verkorten. Ten tweede biedt het voordelen voor batterijonderzoek, waarbij het gedrag van ionen en elektrolyten op atomair niveau gesimuleerd kan worden voor efficiëntere energieopslag.

Het derde toepassingsgebied is schone energie, waaronder kernfusie. Plasmasimulaties die nodig zijn voor de beheersing van fusiereacties vereisen enorme rekenkracht; kwantumcomputers kunnen dit soort berekeningen in de toekomst aanmerkelijk versnellen. Google benadrukt dat de huidige doorbraak slechts een eerste stap is op weg naar die toepassingen.

Belang voor Nederland en Europa

De publicatie heeft ook implicaties voor de Europese kwantumsector. Nederland loopt voorop in fotonische kwantumtechnologie via bedrijven als Quix Quantum in Twente, dat de eerste universele fotonische kwantumcomputer ter wereld voorbereidt. De doorbraak van Google vestigt extra aandacht op het belang van overheidsinvesteringen in kwantumonderzoek. TNO en QuTech (een samenwerking van TU Delft en TNO) werken aan soortgelijke vorderingen met supergeleiders en fotonische qubits.

Analisten wijzen erop dat de concurrentie in de kwantumruimte toeneemt: naast Google investeren IBM, Microsoft en een reeks Chinese techbedrijven fors in kwantumhardware en -algoritmen. De publicatie in Nature markeert een nieuwe fase in die wedstrijd: niet langer gaat het om het demonstreren van technologische mogelijkheden in een laboratorium, maar om het bewijzen van praktisch nut voor echte wetenschappelijke vraagstukken.