Optimaliseren met qubits

Ooit ridiculiseerden informatici de quantumcomputers van het Canadese bedrijf D-Wave Systems. Nu worden diezelfde computers gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek. Vanwaar die omslag en hoe werken hun machines eigenlijk? ‘De houding in het vakgebied is minder puristisch geworden.’

De grootste quantumcomputer ter wereld is volgens de meeste deskundigen de Osprey van IBM, met 433 quantumbits of qubits. Best veel, vergeleken met bijvoorbeeld vijf jaar geleden. Maar bij de 5342 qubits van de Advantage van D-Wave Systems steekt het toch wat magertjes af. Bovendien is de Advantage, anders dan de Osprey, gewoon te koop voor iedereen met genoeg geld.

De Advantage is een vreemde eend onder de quantumcomputers. Sinds D-Wave in 2007 zijn eerste prototype aan de pers presenteerde, hebben de machines van het Canadese bedrijf altijd een flink grotere capaciteit gehad dan de quantumcomputers die algemeen als de grootste van dat moment werden beschouwd. Dat is één kant van het D-Wave-raadsel. De andere kant is dat het bedrijf in zijn beginjaren zo’n beetje werd uitgekotst door de academische gemeenschap, maar er wel in slaagde computers te verkopen aan een stel grote Amerikaanse partijen: vliegtuigbouwer Lockheed Martin (samen met de University of Southern California), Google (samen met NASA) en het Los Alamos National Laboratory.

De laatste jaren verstomde de academische kritiek. Apparaten van D-Wave worden nu zelfs gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek. Hoogste tijd om licht op het raadsel te werpen.

Kampioen

D-Wave Systems werd in 1999 opgericht door Geordie Rose, een pas gepromoveerd quantumfysicus die daarnaast nog tijd had gevonden om Canadees kampioen worstelen en wereldkampioen Braziliaans jiujitsu te worden. Hij viel op met zijn indrukwekkende wenkbrauwen en bloemkooloren, en met uitspraken als: ‘I’m not okay with losing at anything. At all.’ Later, toen hij al niet meer bij het bedrijf was betrokken, haalde hij nog een keer het Guinness Book of World Records met het eten van de grootste hoeveelheid yoghurt in een minuut.

Dat competitieve was in de eerste jaren typerend voor D-Wave. De bijbehorende grootspraak over wat de computers van het bedrijf wel niet allemaal zouden kunnen, leidde tot veel ergernis en ridiculisering in de academische wereld van de quantuminformatica. Sommigen be- twijfelden zelfs of de processor wel echt gebruikmaakte van quantumeffecten. Hield D-Wave anderen voor de gek, of vooral zichzelf? Na de turbulente beginjaren werd het stiller rond het bedrijf, maar het bleef wel bestaan en bracht om de zoveel jaar een nieuwe, grotere versie van zijn computer uit – en wist die ook af en toe aan een groot bedrijf te verkopen. Maar die computer telde dan niet mee als grootste quantumcomputer.

Optimaliseringsproblemen

De reden was dat de machines van D-Wave niet universeel zijn, maar voor een specifieke toepassing zijn bedoeld: zogenoemde discrete optimalisatieproblemen. Het bekendste voorbeeld daarvan is het handelsreizigersprobleem: vind de volgorde met de kortste reisafstand voor het bezoeken van een aantal steden. Veel bedrijven hebben met dat soort problemen te maken als ze proberen de kosten van hun productieprocessen te minimaliseren. Andere voorbeelden van discrete optimalisatieproblemen zijn het vouwen van een eiwit, het optimaliseren van een aandelenportfolio, en ook machine learning – dat zelf weer op allerlei gebieden toepassingen heeft.

Voor het vinden van goede oplossingen voor die problemen zijn computers met slimme zoekstrategieën nodig. D-Wave dankt zijn bestaan aan het feit dat natuurkundigen in de jaren negentig de nieuwe zoekstrategie quantum annealing (QA) hadden bedacht. Die beloofde de bestaande methoden te overtroeven door de inzet van quantummechanische processen (zie kader Tunneleffect). Quantumfysicus Rose wilde het bedrijfsleven een superieure optimalisatietechnologie bieden met een speciaal voor QA gebouwd apparaat, de quantum annealer Die wijkt overigens nog in een ander opzicht van de ‘gewone’ digitale quantumcomputer af: hij werkt analoog (zie kader Gekoppelde qubits).

De grote hindernis bij het opschalen van de universele quantumcomputer is de kwetsbaarheid van de qubits voor verstoringen van buitenaf. Op dat vlak had D-Wave een belangrijk voordeel: het QA-proces is relatief ongevoelig is voor fouten in de qubits. Het eer-

De processor van de Advantage zit in het midden van de printplaat, eromheen de aansturende elektronica.

Tunneleffect

Een spoorwegmaatschappij die een efficiënte (dus niet dure) omloop voor haar treinstellen en personeel moet bedenken, heeft te maken met wat wordt genoemd een discreet optimalisatieprobleem. Typerend daarvoor is dat er geen wiskundige formule bestaat die direct de beste oplossing geeft. Bovendien is het aantal mogelijkheden meestal veel te groot om ze allemaal door een computer te laten aflopen.

Het vinden van een ‘behoorlijke’ oplossing vraagt dus een goede zoekstrategie. Vaak worden daarbij alle mogelijke oplossingen samen als een landschap met pieken en dalen voorgesteld, waarbij de hoogte staat voor de kosten van een oplossing. De computer probeert binnen een redelijke tijd een flink diep dal in het landschap te vinden. Een veelgebruikt algoritme daarvoor is simulated annealing (SA).

Vanwaar die vreemde naam? Gezien door een natuurkundige bril is het algoritme verwant aan annealing (gloeien), ofwel ver- hitten in een oven – een techniek die metaalfabrikanten toepassen om hun producten sterker te maken. ste commerciële model D-Wave One uit 2011 had dan ook meteen 128 qubits. Het was al in staat eenvoudige optimalisatieproblemen op te lossen, die ook gewone computers nog gemakkelijk aankonden.

Hoewel SA vaak goed werkt, kan het ook weleens blijven ‘hangen’ in een ondiep dal, wat dan een heel matige oplossing oplevert. In de jaren negentig bedachten natuurkundigen dat het tunneleffect uit de quantummechanica kon helpen om daar iets aan te doen. Volgens die theorie heeft een deeltje dat door zijn lage energie in een energiedal gevangen zit, toch nog een mogelijkheid om naar een ander, dieper dal te ontkomen. Het is alsof het deeltje een tunnel naar het andere dal graaft. Quantum annealing, zoals het nieuwe algoritme werd genoemd, gebruikt dat effect om te ontsnappen uit dalen waarin SA blijft hangen. Maar het algoritme kan niet op een gewone computer worden uitgevoerd; er is een gespecialiseerd quantumsysteem voor nodig. Het Canadese D-Wave Systems is nog altijd het enige bedrijf dat zulke systemen bouwt.

Quantumvoordeel

Over de waarde van de nieuwe technologie ontstond destijds een verhit debat, dat lang aanhield. Het duurde twee jaar voordat ona ankelijke onderzoekers konden aantonen dat de machine daadwerkelijk quantume ecten gebruikte bij het rekenen. Maar D-Wave had nog meer te bewijzen. QA was namelijk, net als veel andere quantumprocessen, goed te simuleren op een klassieke computer. De vraag was dan ook: waarom investeren in een duur, nieuw apparaat als het langs een omweg ook met de bestaande computers kan?

Het bedrijf kwam de eerste jaren herhaaldelijk op de proppen met een rekentaak waarin de annealer de simulatie op de klassieke computer zou verslaan, maar even zo vaak werden die claims doorgeprikt. D-Wave had nog een ander argument. Op een klassieke computer groeit de rekentijd over het algemeen exponentieel met

De menshoge kast van de Advantagequantumcomputer, nodig vanwege de uitgebreide koelsystemen.

Gekoppelde qubits

De gespecialiseerde quantumcomputer van D-Wave Systems, de quantum annealer, werkt op basis van een tot 12 millikelvin boven het absolute nulpunt gekoelde chip. De ruim vijfduizend supergeleidende stroomkringetjes op die chip fungeren als quantum bits (qubits): de stroom kan linksom rondlopen (waarde 0), rechtsom (waarde 1) of in beide richtingen tegelijk (0 én 1). Dat laatste heet in quantumterminologie een superpositie.

Voor elke qubit is instelbaar of hij liever 0 is dan 1, of juist andersom, of geen voorkeur heeft – de zogenoemde bias. Verder kunnen qubits paarsgewijs aan elkaar worden gekoppeld. Zo’n koppeling verzekert dat beide qubits altijd dezelfde waarde hebben of juist altijd een tegengestelde. Om nu de quantum annealer te vertellen welk probleem hij moet oplossen, moeten de koppelingen en biases worden ingesteld. Dat gebeurt met elektromagneetjes.

Moet het apparaat bijvoorbeeld een efficiënte dienstregeling voor de spoorwegen vinden, dan geven de koppelingen en biases de volgorde van de stations op de lijnen weer, samen met alle andere voorwaarden waaraan de dienstregeling moet voldoen. Elke reeks nullen en enen die de qubits kunnen vertonen, is dan automatisch een mogelijke dienstregeling.

Omdat de qubits elkaars magnetisch veld voelen, heeft elke reeks enen en nullen een andere energie: de ‘kosten’ van de oplossing. Het doel is om een reeks te vinden met de laagst mogelijke energie. In het voorbeeld boven zou die staan voor de dienstregeling met de laagste kosten. de grootte van de taak, en dat zou op de annealer veel langzamer (polynomiaal) gaan. Dus als de capaciteit van de nieuwste annealer steeds groter wordt, moet er een moment komen dat hij berekeningen aankan die geen enkele klassieke computer hem kan nadoen. Dat zogenoemde quantum advantage is inderdaad aangetoond voor sommige algoritmen voor de universele quantumcomputer. Maar er kwam geen bewijs dat dit ook voor annealer-processen geldt.

Het zoekproces begint met het aanzetten van een grote elektromagneet, die op alle qubits tegelijk inwerkt. De qubits komen daardoor ieder afzonderlijk in een superpositie van 0 en 1 terecht. Vervolgens worden de lokale magnetische velden voor de biases en koppelingen ingeschakeld. Terwijl die geleidelijk in sterkte toenemen, wordt het globale magneetveld afgezwakt. Dat dwingt de qubits om hun individuele vrijheid op te geven: ze komen samen terecht in een superpositie van alle oplossingen van het probleem.

Terwijl de lokale velden verder naar een maximum stijgen en het globale veld naar nul zakt, verandert de superpositie van karakter – de oplossingen met lage energie gaan als het ware steeds meer de baas spelen. In theorie duwt de oplossing met de allerlaagste energie uiteindelijk alle andere oplossingen uit de superpositie. Door kleine verstoringen van buitenaf wint in de praktijk vaak een oplossing met iets hogere energie, die ook nog steeds heel goed is. Die oplossing kan van de qubits worden afgelezen als de magneetvelden hun eindwaarde hebben bereikt.

Ondanks dat alles wist D-Wave steeds weer investeerders aan te trekken en een paar prestigieuze klanten binnen te halen. Boze tongen beweerden dat die alleen maar bleven komen omdat anderen hen waren voorgegaan –een soort perpetuum mobile van vertrouwen.

Puristen

Des te opmerkelijker is het dat de sfeer rondom het bedrijf de laatste jaren duidelijk is veranderd. De kritiek is grotendeels verstomd. ‘De kijk van de wetenschappelijke gemeenschap op technologie zoals die van D-Wave is de afgelopen tien jaar veranderd’, is de verklaring van Barbara Terhal, hoogleraar Quantuminformatica aan de TU Del . ‘Dat hee ermee te maken dat de ontwikkeling van de universele quantumcomputer minder vlot is verlopen dan we hadden gehoopt. De houding is daardoor minder puristisch geworden, meer van: laten we kijken wat we kunnen doen met wat we al wel hebben. Ik heb zelf nog steeds het meeste vertrouwen in de universele quantumcomputer, maar ook met een quantum annealer kunnen interessante resultaten te boeken zijn.’

Dat blijkt ook uit het feit dat er met enige regelmaat nieuws is over wetenschappelijk onderzoek dat met de annealer is gedaan. Nog vorig jaar scha e het Duitse Forschungszentrum Jülich voor dat doel een exemplaar aan. Verrassend aan het nieuws is dat het meestal niet over optimalisatieproblemen gaat, maar over een heel andere toepassing – zodat de annealer achteraf toch minder eenzijdig blijkt dan hij jarenlang leek. Als quantumsysteem is het apparaat namelijk ook heel goed in staat het quantumgedrag van materialen en moleculen in de chemie te imiteren. Dat gedrag is moeilijk te simuleren op een klassieke computer.

Een recent, opvallend resultaat komt van de onderzoeksgroep van Daniel Lidar van de Amerikaanse University of Southern California. Die hee met een annealer laten zien dat een quantummechanische faseovergang in een exotisch materiaal – een zogenoemde eendimensionale Ising-keten – precies zo ging als de Schrödingervergelijking voorspelde. Experts hopen dat dit soort simulaties het in de toekomst mogelijk maakt materialen met nieuwe, exotische eigenschappen te ontwerpen.

D-Wave zelf werkt ondertussen verder aan optimalisatieproblemen. Het biedt een groot pakket diensten aan bedrijven, die online gebruik kunnen maken van annealers die bij D-Wave staan opgesteld. Of dat – samen met de toepassingen in de wetenschap – uiteindelijk genoeg is om het voortbestaan van het bedrijf te garanderen, blij de vraag. Het lijkt erop dat D-Wave het zelf inmiddels ook verstandig vindt op meer dan één paard te wedden. Een tijdje geleden hee het aangekondigd ook universele quantumcomputers te gaan bouwen. •

Moeilijk probleem

Streeft kunstmatige intelligentie (AI) ooit de mens voorbij? En zo ja: kan een machine denken? In zijn interessante artikel (februari 2023) beschrijft Fanta Voogd de turingtest, de ultieme test die het onderscheid maakt tussen een computer en een mens. Alan Turing dacht dat een denkende machine het aan het eind van de vorige eeuw wel zou winnen.

Ook al weten we alles over de werking van neuronen in het brein, we weten nog niet hoe het denken in het biologische neurale netwerk plaatsvindt. Dat wordt in de neurowetenschappen wel het ‘moeilijke probleem’ genoemd. Zelfrijdende auto’s en onbemande gevechtsvoertuigen worden volwassener door steeds geavanceerdere algoritmen en deep learning. Grote aantallen teruggeroepen auto’s demonstreren echter dat ‘zelfrijdend’ nog onbetrouwbaar is. Voor onbemande gevechtsvoertuigen hebben de tekortkomingen bovendien een ethisch aspect. Om burgerslachtoffers te voorkomen blijft de ultieme menselijke beslissing noodzakelijk.

Intelligentie draait om cognitieve perceptie van de omgeving, het opbouwen van ervaring en daarmee nieuwe problemen oplossen. Daarbij is voor deze processen bewustzijn nodig. Is deep learning van AIalgoritmen hiermee te vergelijken?

Of bewustzijn ooit kan worden geprogrammeerd lijkt vooralsnog onwaarschijnlijk. Neurowetenschapper Christof Koch schreef: ‘Om onze ervaringen op te doen zouden computers niet alleen onze cognitieve functies moeten kunnen simuleren, maar alle gedetailleerde causale interacties die in ons brein bestaan.’ Dat is nu juist het ‘moeilijke probleem’ van het leggen van de menselijke intelligentie op het substraat van het brein.

De simpele waarheid, stelt Koch ook, is dat we zelfs geen compleet model hebben voor het zenuwstelsel van C. elegans, een wormpje met 302 zenuwcellen. Hoe kunnen we dan ooit het menselijk brein begrijpen? Het besef dat het moeilijke probleem wellicht nooit wordt opgelost doet vermoeden dat de AI- singulariteit een asymptoot wordt: misschien er ooit in de buurt, maar nooit helemaal gelijk. Stephen Hawking schetste de toekomst als een race tussen de groeiende macht van onze technologie en de wijsheid waarmee wij die toepassen. Zouden hersenwetenschappers niet vaker met AI-ontwikkelaars moeten praten?

Carel Prins, Wassenaar

Bouwen

Gelooft u het? Ik niet. Inmiddels enige tijd geleden publiceerde minister Hugo de Jonge zijn plannen voor de ruimtelijke ordening in de komende jaren. In de periode tot en met 2030 wil hij 917.193 woningen bouwen. Van dit totaal zou 46 procent in de provincies Noord- en Zuid-Holland komen.

Een kleine maand eerder meldde NRC Handelsblad dat we zo niet kunnen doorgaan, maar juist in hogere gebieden moeten gaan bouwen. Het tijdschrift De Ingenieur zegt het in het novembernummer 2022 iets preciezer: in elk geval ten oosten van de lijn Arnhem-Nijmegen. De Bosatlas Nederland van boven, preciseert het nog iets verder: bij benadering ten oosten (zuiden) van de lijn Groningen- Drachten-Zwolle-ArnhemNijmegen-’s-Hertogenbosch-Maastricht.

Opvallend is dat de plannen van de minister nergens de bevindingen van de Commissie-Haasnoot noemen. Is tijdsdruk de oorzaak? Dan zou er voldoende tijd geweest zijn voor een aanvullende correctie in de tussenliggende periode. Het advies Bouw in hoger gebied houdt in, dat we vanaf nu er over gaan denken het regeringscentrum buiten Den Haag te realiseren. Wanneer zou de eerste studie over dit heikele onderwerp verschijnen?

Joop Nicolai, Lelystad

Lokale hydrolyse

Het artikel over het mobiele tankstation in het aprilnummer (rubriek Eureka) heb ik met belangstelling gelezen. Ik ben echter bang dat het een witte olifant wordt, net als indertijd de hogesnelheidsbus van Wubbo Ockels. Het zal een zeer duur apparaat worden en de waterstof wordt bijgevolg ook duur.

Deze week reed ik twee keer langs de route van de Betuwelijn. Mij viel er op dat men langs die route grote velden met zonnecellen aan het opstellen is. Toen dacht ik aan het lokaal opwekken van waterstof. Er ontstaat namelijk een probleem. Wanneer in een proces de toevoer en afvoer beperkt stuurbaar zijn – en dat is het geval bij wind en zon en de afnemers zoals huizen en industrie – dan ontstaat een conflict dat er in resulteert dat er toevoereenheden worden afgeschakeld. Door de toename van zonneparken en cellen op de daken zal dit probleem groter worden. Een stuurbare afnemer (hydrolyse) is een oplossing. Een groot, centraal hydrolysesysteem geeft problemen met het stroomnet: het duurt lang en is kostbaar om het net voldoende te verzwaren. Daarom lijken lokale hydrolyseunits mij een goed idee. Deze kunnen in serie worden vervaardigd en zijn goed te vervoeren, bijvoorbeeld in containers. Jan

Brugman, Ede

Correctie

De nieuwe stadswijk Merwede ligt niet in Rotterdam, zoals we vorige maand schreven in de rubriek Punt, maar in Utrecht.

TEKST: MARLIES TER VOORDE

tot 7/1/2024 Voorheen onzichtbare beelden

Antoni van Leeuwenhoek was, voor zover bekend, de eerste mens die een bacterie aanschouwde. De Nederlandse lakenhandelaar bouwde 350 jaar geleden een microscoop om zijn stoffen te controleren en ontdekte vervolgens de nog onbekende wereld der microben. Rijksmuseum Boerhaave in Leiden laat u als het ware over zijn schouder meekijken in de tentoonstelling Onvoorstelbaar. Hoe Antoni van Leeuwenhoek de microwereld ontdekte. Tot begin volgend jaar zijn hier vijf van de originele microscopen te zien, maar ook brieven en tekeningen van Van Leeuwenhoek. Tevens is er aandacht voor de actuele ontwikkelingen in de microscopie en microbiologie, en de rol hiervan in de geneeskunde. Zie ook de rubriek Vragenvuur op pagina 64. Meer info: rijksmuseumboerhaave.nl/ te-zien-te-doen/onvoorstelbaar

Achter de schermen

Digitale kunst – dat klinkt modern, maar bestaat al sinds de jaren zeventig. De expositie Behind the Screens in Museum Coda in Apeldoorn geeft een overzicht van deze afgelopen vijftig jaar. Het toont vijftig kunstwerken van in totaal 29 kunstenaars. Een deel hiervan is volledig digitaal, maar er zijn ook hybride kunstwerken, waarbij de digitale technieken met traditionele ambachten zijn gecombineerd – denk bijvoorbeeld aan wandtapijten. Tot 16 juli is er in het bijbehorende ExperienceLab een aanverwante tentoonstelling: Coderen: ambacht van de 21e eeuw. Hier zijn naast de kunstvormen ook de maakprocessen inzichtelijk gemaakt. Wie het wil zien moet wel snel zijn: de tentoonstelling loopt nog tot en met 4 juni.

Meer info: coda-apeldoorn.nl/nl/agenda/behind-thescreens-1 en coda-apeldoorn.nl/experiencelab

t/m november

Explosie van kleur

Technologie en street art komen samen in de futuristische wereld van de Argentijns-Spaanse kunstenaar Felipe Pantone. In het werk van deze voormalige graffiti-artiest staan kleur, licht en beweging centraal. Pantone verwerkt in zijn composities elementen uit de software, zoals de computer glitch, pixels en QR-codes. Voor de expositie Prospective in de Kunsthal van Rotterdam maakte hij een lokatiegebonden installatie. Meer info: kunsthal.nl/nl/planje-bezoek/tentoonstellingen/ felipe-pantone

Nieuwste telescoop in oudste sterrenwacht

Eind december 2021 werd hij gelanceerd en sinds vorig jaar trakteert hij ons op beelden uit het diepe heelal: de James Webb Space Telescope (JWST). Nooit eerder kon een telescoop dieper in het heelal, dus verder terug in de tijd, kijken dan deze. De Oude Sterrewacht Leiden wijdt een tentoonstelling aan deze foto’s, de geavanceerde technologie van de JWST, het vroege heelal en de sterren. Tevens is er een kunstwerk te zien van de Haagse kunstenaar Leandros Ntolas over de mysteries van het universum. Meer info: universiteitleiden.nl/oudesterrewacht