211service.com
Europa onthult zijn visie op een kwantumtoekomst
De race om de kwantumwereld te veroveren is een van de meest fel concurrerende in technologie. China en de VS hebben beide miljarden geïnvesteerd in het ontwikkelen van nieuwe manieren om gebruik te maken van de vreemde wetten van de fysica waartoe kwantumeffecten toegang geven. De belofte is een nieuw tijdperk van computers en communicatie en, natuurlijk, ongekende rijkdommen.
In alle opwinding wordt een deel van de wereld achtergelaten. Europa heeft een rijke geschiedenis van innovatie in de kwantumfysica, maar begint de laatste jaren achterop te raken bij zijn mondiale concurrenten.
Daarom kondigde de Europese Commissie in 2016 aan een miljard euro te investeren in een onderzoeksinspanning die bekend staat als het Quantum Technology Flagship. Het doel van dit project is om vier technologieën te ontwikkelen: kwantumcommunicatie, kwantumsimulatie, kwantumcomputing en kwantumdetectie. Hoe gaat het na bijna twee jaar?
Het beheersen van kwantumsystemen is een grote uitdaging.
Vandaag krijgen we een glimp dankzij de publicatie van de European Quantum Technologies Roadmap, een bijgewerkte versie van het document waarin de doelstellingen van het project voor de komende 10 jaar worden uiteengezet. Het schetst met name twee opkomende gebieden die in andere delen van de wereld minder belangstelling hebben gekregen: kwantumsoftware en kwantumcontrole. Deze kunnen belangrijke implicaties hebben voor de toekomst van Europese kwantumtechnologieën.
Het document begint met het schetsen van de aandachtsgebieden. De eerste, kwantumcommunicatie, biedt de mogelijkheid om gegevens van de ene naar de andere locatie te sturen met volledige privacy, gegarandeerd door de wetten van de fysica. Dat wordt steeds belangrijker omdat een andere technologie, kwantumcomputing, binnenkort in staat zal zijn om de tegenwoordig gebruikelijke versleuteling te doorbreken. Veilige communicatie is een van de fundamenten van de moderne samenleving, maakt e-commerce mogelijk en waarborgt de privacy van zakelijke, overheids- en militaire communicatie.
Het probleem is dat bestaande kwantumcommunicatiesystemen duur en complex zijn om te beheren en uit te voeren. De volgende fase in de evolutie van deze systemen is om ze veel beter beheersbaar te maken.
De commissie zegt dat dit op handen is: Binnen de komende drie jaar is de ontwikkeling van autonome [kwantumcommunicatie]systemen over grootstedelijke afstanden te verwachten die lage implementatiekosten, hoge beveiligde sleutelsnelheden (> 10 Mbps) en multiplexing zullen aanpakken.
Een ander probleem is dat kwantumcommunicatie alleen werkt over punt-naar-punt verbindingen van ongeveer 100 kilometer. Daarom werken onderzoekers ook aan quantumrouters die de signalen veel verder kunnen sturen. Over 6 jaar zullen we waarschijnlijk [kwantumcommunicatiesystemen] zien in testbednetwerken, die lange afstanden demonstreren via vertrouwde knooppunten, platformsystemen op grote hoogte of satellieten, evenals multi-node of schakelbare intra-stedelijke netwerken, die allemaal zullen vereisen dat grootschalige infrastructuurprojecten worden opgestart, aldus het rapport.
Het volgende gebied is kwantumberekening, waarbij kwantumprocessen worden gebruikt om indrukwekkende gegevensverwerkingsprestaties te genereren. Dit is al enkele jaren mogelijk op de schaal van slechts een paar kwantumbits, of qubits. De uitdaging van vandaag is om kwantumcomputers te schalen tot 100 qubits of meer.
Deze routekaart schetst vijf mogelijke manieren om dit te doen, met behulp van systemen die kwantuminformatie op verschillende manieren opslaan en verwerken. Deze omvatten het opslaan van de informatie in ionen die zijn gevangen in een magnetisch veld of in atoomkernen ingebed in silicium of koolstof, in de stroom van stroom door kleine supergeleidende circuits, of in fotonen die door fotonische circuits reizen.
De commissie verwacht duidelijk binnen vijf tot tien jaar grootschalige quantumverwerking met een of meer van deze technologieën. Of dit eerst in Europa zal gebeuren, is veel minder duidelijk.
Kwantumsimulatie is het derde investeringsgebied. Het simuleren van complexe kwantumeigenschappen op een gewone computer is bijna onmogelijk. Maar kwantumsystemen kunnen worden gemaakt om aspecten van andere kwantumsystemen min of meer perfect te simuleren.
Natuurkundigen spelen met verschillende manieren om dit te doen. Het basisidee is om een kwantumsysteem te vinden dat goed begrepen en gemakkelijk te manipuleren en te meten is, en dat vervolgens te gebruiken om een systeem te simuleren dat moeilijk te manipuleren en te meten is.
De goed begrepen systemen omvatten ultrakoude atomen en moleculen, ionen gevangen in magnetische velden en supergeleidende circuits. De meer complexe systemen die natuurkundigen willen begrijpen, komen voor in de hoge-energiefysica, in de kosmologie, in de statistische fysica en zelfs in de biologie, waar kwantumprocessen een rol lijken te spelen bij energieoverdracht. De belofte is dat kwantumsimulatie inzicht kan geven op al deze gebieden.
Maar er zijn grote uitdagingen. Deze omvatten het vinden van interessante systemen die kunnen worden gesimuleerd met bestaande technieken en het ontwerpen van een geschikt experiment om dit te doen. Bovendien moeten natuurkundigen manieren vinden om er zeker van te zijn dat het systeem de simulatie correct heeft uitgevoerd.
Hoeveel hiervan binnen de komende 10 jaar mogelijk zal zijn, is nog niet duidelijk.
Het vierde aandachtsgebied is kwantumdetectie en metrologie. Het idee hier is dat als we de kwantumwereld willen exploiteren, we deze moeten kunnen meten en voelen. Dat betekent dat we het heelal moeten meten op de schaal van atomen en fotonen over behoorlijk korte tijdschalen.
Natuurkundigen hebben een breed scala aan hulpmiddelen om dit te doen, maar ze moeten allemaal worden verbeterd. Dus kwantumklokken moeten nauwkeuriger worden gemaakt, atomaire sensoren moeten gevoeliger worden gemaakt en optomechanische sensoren moeten capabeler worden gemaakt.
De roadmap eindigt met een bespreking van twee nieuwe aandachtsgebieden. De eerste is kwantumcontrole: het vermogen om kwantumsystemen te manipuleren met behulp van externe elektromagnetische velden of krachten. Het doel van kwantumoptimale controle is het bedenken en implementeren van vormen van pulsen van externe velden of reeksen van dergelijke pulsen, die een bepaalde taak in een kwantumsysteem op de best mogelijke manier bereiken, zegt het.
Met andere woorden, dit gaat over het aanstoten van kwantumsystemen met radiogolven en laserstralen om ze zich op specifieke manieren te laten gedragen. De verwachting is dat dit soort nauwkeurige besturing van kwantumsystemen onder meer grootschalige kwantumberekening en -simulatie mogelijk zal maken.
Het tweede van deze nieuwe gebieden is de ontwikkeling van kwantumsoftware, die veel moeilijker te ontwikkelen is dan gewone software omdat qubits kunnen bestaan als zowel 0 s en een s tegelijkertijd. Dat betekent dat meerdere qubits veel berekeningen parallel kunnen uitvoeren, en daarom zijn kwantumcomputers zo enorm krachtig.
Maar het antwoord uit deze berekeningen halen is moeilijk. En dat maakt kwantumalgoritmen enorm kwetsbaar.
Het potentieel is dat kwantumalgoritmen aanzienlijk beter kunnen presteren dan klassieke berekeningen. Maar het vinden van algoritmen die dit kunnen, is lastig. Deze software zal moeten werken op de schaal van zowel computers als hele netwerken. Vooruitgang op dit gebied kan voor Europa een manier zijn om concurrenten die een voorsprong hebben op het gebied van hardwareontwikkeling, voor te zijn.
Een van de meest opwindende problemen is het ontwikkelen van een theorie van kwantuminformatie. De klassieke informatietheorie, ontwikkeld in de jaren veertig en vijftig door de wiskundige en ingenieur Claude Shannon, is de basis geworden van moderne informatica en communicatie. Een even krachtige theorie voor kwantuminformatie ontgaat theoretici, maar de ontwikkeling ervan is een belangrijk doel in Europa. Veel zal afhangen van de uitkomst.
Als deze routekaart een nauwkeurige samenvatting is van Europa's benadering van de ontwikkeling van kwantumtechnologieën, zullen zijn wereldwijde rivalen nauwelijks in hun schoenen staan. Voor het grootste deel mist het plan ambitie ten opzichte van elders werken. China heeft bijvoorbeeld al een satelliet in een baan om de aarde die in staat is tot kwantumcommunicatie met de grond, en dit is de afgunst van de kwantumgemeenschap over de hele wereld.
De uitzonderingen zijn op het gebied van kwantumcontrole en kwantumsoftware. Dit zijn ontsluitende technologieën met brede toepassingen in de kwantumwereld en kunnen een belangrijke springplank zijn voor Europa.
Een grote onbekende is de rol van de industrie in de toekomst van kwantumtechnologieën. Europa is wanhopig om samen te werken met bedrijven zoals Google, IBM en Microsoft, die allemaal hun eigen kwantumtechnologieën ontwikkelen. Maar veel van dit werk is tot nu toe in de VS gedaan. Het veranderen van die focus moet een prioriteit zijn als Europa de juiste beloningen wil halen uit zijn investering van miljarden euro.
Referentie: arxiv.org/abs/1712.03773 : De Europese routekaart voor kwantumtechnologieën