Volgens McKinsey zijn de investeringen in startups op het gebied van kwantumcomputing in 2021 opgelopen tot meer dan 1,7 miljard dollar. Dat is meer dan het dubbele van het bedrag dat in 2020 werd opgehaald. En raad eens wat de statistieken van 2022 zullen brengen?Maar wat is kwantumcomputing, wat zijn de bestaande technologieën en waarom zou je erin investeren? En wanneer is de beste timing om mee te doen? Disclaimer: Dit artikel is geen financieel advies. Het beschrijft alleen de huidige staat van de markt.
Waarom hebben we het nodig?
Al in de jaren zestig merkte Gordon Moore op dat de rekenkracht elke 18 maanden verdubbelde. En dat ging de laatste decennia zo door, dus noemden we deze observatie de wet van Moore. De rekenkracht wordt verhoogd door de dichtheid van transistors op een geïntegreerd circuit te verhogen. Maar onlangs hebben we de grens bereikt met dichtheden die in de buurt komen van 1 transistor per 10 nm. Kwantumeffecten verschijnen en houden ons tegen om door te gaan met het verhogen van de transistordichtheid en dus met het verhogen van de rekenkracht.
Is dit het einde van de computerindustrie zoals we die kennen?
WTF is kwantumfysica?
Kwantumfysica is de studie van materie en energie op atomaire en sub-atomaire schaal. Het werd gepionierd in de jaren twintig van de vorige eeuw door Bohr, Heisenberg, Pauli, Schrödinger, Dirac en vele anderen. Het leidde tot het begrip van het atoom en de kern zoals we die vandaag de dag kennen en is ongetwijfeld een van de meest succesvolle theorieën in de natuurkunde.
Het basisidee van de kwantumfysica is dat deeltjes geconcentreerde verdelingen van energie zijn. Die energie-uitwisseling tussen deeltjes gebeurt in quanta, een vooraf bepaald volume van interactie-energie dat ook kan worden geïnterpreteerd als een deeltje.
Dus eigenlijk wordt alles beschouwd als een deeltje en tegelijkertijd als energie.
De kwantumfysica maakt gebruik van geavanceerde wiskunde en voorspelt een heleboel vreemde dingen die allemaal waar zijn gebleken uit latere experimenten. Een van deze vreemde kwantumeffecten is tunneling, waarbij deeltjes zich door barrières kunnen voortplanten. Een ander effect is superpositie, het vermogen van een kwantumsysteem om zich in meerdere toestanden tegelijk te bevinden totdat het wordt gemeten.
Het is kwantumtunneling dat verantwoordelijk is voor het stoppen van de wet van Moore. Het is superpositie dat de oplossing zal zijn om dit op te lossen.
Laat het probleem de oplossing zijn
Als kwantumfysica ons tegenhoudt om snellere klassieke computers te bouwen, laten we dan kwantumfysica gebruiken om een nieuwe generatie computers te bouwen.
Klassieke computers gebruiken bits, conceptuele één’s en nullen vertaald in een fysieke grootheid afhankelijk van het gebruik; stroom/geen stroom, spanning/geen spanning, magnetisme/geen magnetisme, enz. Bewerkingen op bits worden gedaan op één of op nul.
Het was de excentrieke maar geniale natuurkundige Richard Feynman die in 1982 voor het eerst met het idee van een kwantumcomputer kwam. Zijn uitspraak: “De natuur is niet klassiek, verdomme, en als je een simulatie van de natuur wilt maken, kun je het maar beter kwantummechanisch maken,” werd later geïnterpreteerd als de officieuze start van de ontwikkeling van de kwantumcomputer.
Kwantumcomputers gebruiken qubits (een complexe superpositie van de mogelijke toestanden één en nul) of, in lekentaal, een qubit kan een beetje één en een beetje nul zijn, allemaal tegelijkertijd. Operaties op qubits worden uitgevoerd op alle combinaties van één en nul tegelijk. Daarom stelt de pop-wetenschap dat n qubits overeenkomen met 2n klassieke bits.
Technologie die nodig is om Quantum Computers te bouwen
Hardware
De uitdaging bij het bouwen van een kwantumcomputer is het vinden van een fysisch fenomeen dat perfect qubits nabootst zoals beschreven door het theoretisch kader om een Qubit Processing Unit (QPU) te produceren.
Een veelgebruikte implementatie van QPU zijn qubits met opgesloten ionen. Ionen (geladen atomen) worden gevangen in een elektromagnetisch veld. De stabiele elektrische toestanden van het ion vertegenwoordigen de qubits. Lasers worden gebruikt om de ionen te exciteren om hun toestand te veranderen en delicate fotonische detectiesystemen vangen de fotonen op om de resultaten van de bewerkingen te interpreteren. Honeywell gebruikt deze technologie om hun kwantumprocessor te ontwikkelen.
Supergeleidende lussen is een andere technologie die IBM en Google gebruiken bij hun poging om een QPU te bouwen. Een kleine lus van supergeleidend materiaal wordt in een magnetisch veld geplaatst dat stroom induceert in de lus. Klassiek kan de stroom met de klok mee of tegen de klok in stromen, maar als de lus klein genoeg is kunnen beide richtingen tegelijkertijd kwantummechanisch bestaan en dus een qubit vormen.
D-Wave combineert deze technologie met het enigszins controversiële quantum annealing, dat quantumtheorie gebruikt om een optimalisatieprobleem op te lossen. Het wordt vaak gebruikt voor machinaal leren.
De ontwikkeling van een quantumcomputer stopt niet bij de ontwikkeling van een QPU. Qubits zijn erg gevoelig voor fouten als gevolg van thermische fluctuaties of externe elektromagnetische velden die de intrinsieke waarden van de qubits beïnvloeden. Deze kwantumdecoherentie moet worden geminimaliseerd door gebruik te maken van werktemperaturen dicht bij het absolute nulpunt, perfecte elektromagnetische isolatie en ten slotte intelligente algoritmen voor kwantumfoutcorrectie.
Software
In klassieke computers gebruiken ingenieurs logische circuits met NOT-, AND-, XOR-poorten enz. om berekeningen uit te voeren. Hetzelfde geldt voor quantum computing, maar met een veel rijkere dierentuin van exotische poorten; net als de Hadamard poort (nee, dit is geen aflevering van de Games of Thrones).
De kwantum software stack is zeer gelijkwaardig aan de klassieke. Kwantumcompilers transformeren high-level taal om dicht bij de logische circuitbewerkingen te assembleren.
Het grote verschil met klassieke computing is dat quantum computing zal worden aangeboden als een cloudservice of quantum-as-a-service (QAAS). Amazon Bracket, Microsoft Azure Quantum, Rigetti Quantum Cloud zijn momenteel de bekendste QAAS-aanbiedingen.
De belofte van kwantumcomputing
Genoeg nerdy geekpraat. Laten we het hebben over wat we uiteindelijk met deze nieuwe apparaten kunnen doen. Veel industrieën hebben vandaag de dag te maken met de beperkingen van klassieke computers bij het oplossen van problemen en verlangen naar een grote sprong voorwaarts. Kwantumcomputers hebben het potentieel om problemen op te lossen met een complexiteit en omvang die met klassieke computers bijna onmogelijk is.
Industrieën die direct zullen profiteren van deze reuzensprong zijn:
- Financiën (richten en voorspellen, handelsoptimalisatie en risicoprofilering)
- Transport (autonome voertuigen, verkeerssimulatie en -regeling)
- Chemie en farmacie (synthese van complexe moleculen, ontwerp van nieuwe medicijnen)
- Klimaatsimulaties en weersvoorspellingen met een precisie die vandaag ondenkbaar is
- Machinaal leren
- Beeldanalyse
- Cyberveiligheid
- Gezondheidszorg (bio-informatica, kankeronderzoek)
Financiering van de industrie
Vandaag bevinden we ons dus in een fase waarin de eerste kwantumcomputers zijn geproduceerd en hun rekenkracht aanbieden aan wie het zich kan veroorloven om complexe problemen op te lossen die klassieke computers niet meer kunnen oplossen (zoals het kraken van conventionele encryptie).
Een bloeiend ecosysteem van opkomende quantum computing bedrijven en use cases beloven aanzienlijke waarde te creëren voor de industrie.
De Boston Consulting Group schat dat kwantumcomputing een totale adresseerbare markt (TAM) van 450 tot 850 miljard dollar zal creëren in de komende 15 tot 30 jaar, waarvan 5 tot 10 miljard dollar in de komende 3 tot 5 jaar.
Dit Quantum Computing potentieel heeft de aandacht getrokken van private equity (PE) investeerders die nu de lange termijn behoefte begrijpen en geloven in de enorme zakelijke mogelijkheden. Grotere bedrijven die in de schijnwerpers staan, zoals D-Wave, hebben hun weg naar PE gevonden, maar er is een volledig spectrum van kleinere bedrijven, in hardware, software en diensten, waarvan sommige al winstgevend zijn.
Een goed voorbeeld dat dit marktmomentum bevestigt, is de oprichting van Quantum Exponential: “Quantum Exponential stelt een portfolio samen van potentiële investeringen in toonaangevende Quantum technologiebedrijven over de hele wereld en beschikt over een team van experts met ongeëvenaarde marktkennis en toegang om zo een wereldwijde voorsprong in Quantum portfolio management te vestigen, te behouden en te blijven ontwikkelen.”
Bekende bedrijven die actief zijn in Quantum Computing zijn ook beschikbaar op de beurs:
- Microsoft Corp. (ticker: MSFT)
- International Business Machines Corp. (IBM)
- Nvidia Corp. (NVDA)
- Alphabet Inc. (GOOG, GOOGL)
- Honeywell International Inc. (HON)
- Amazon.com Inc. (AMZN)
- Intel Corp. (INTC)
- Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd. (TSM)
- Alibaba Group Holding Ltd (HKG: 9988)
Maar vandaag worden er nieuwe pure play-bedrijven geïntroduceerd:
- D-Wave (QBTS)
- IonQ Inc (IONQ)
- Rigetti Computing Inc (RGTI)
- Quantum Computing Inc (QUBT)
- Arquit Quantum Inc (ARQQ)
En binnenkort verwachten we ook een beursgang van bedrijven die QC gebruiken om nieuwe grenzen te verleggen, zoals enkele rijzende sterren in de gezondheidszorg:
- Polaris: revolutie van medicijnontwerp door Quantum Computing te combineren met AI en Precision Medicine.
- Auransa: data en AI-gedreven QC-platform dat in staat is om complexe menselijke ziektedata, groot en klein, op te nemen en die data te gebruiken om de biologie van complexe ziektes te begrijpen.
De race om het geopolitieke kwantumvoordeel?
Het land dat de race om de ontwikkeling van kwantumcomputers leidt, heeft een enorm geopolitiek voordeel.
Vandaag de dag is onze digitale economie gebaseerd op cryptografie met een publieke/private sleutel die gebruik maakt van een eenvoudig wiskundig principe. Als je twee grote priemgetallen geeft, is het extreem gemakkelijk om ze te vermenigvuldigen, maar als je een groot getal als product van twee priemgetallen geeft, is het extreem moeilijk om deze twee priemgetallen te ontbinden in factoren.
In 1994 publiceerde de wiskundige Peter Shor een algoritme om priemgetallen te ontbinden in factoren. Dit kwam als een schok voor alle veiligheidsdiensten over de hele wereld. Het land dat Shor’s algoritme kon implementeren, kon alle versleutelde informatie over de hele planeet kraken. Gelukkig was een van de stappen in dit algoritme rekenkundig zo zwaar, dat een klassieke computer er bijna de leeftijd van het universum voor nodig zou hebben om het uit te voeren.
Toen kwam de vooruitgang in kwantumcomputing, waarbij het algoritme van Shor geen interessante wiskundige oefening meer was, maar een echte bedreiging werd voor onze digitale economie.
Tijdens de Koude Oorlog hadden we de ruimterace, vandaag hebben we de kwantumrace.
In 2019 kondigde Google aan dat hun 53-qubit Sycamore processor in 3,3 minuten een taak had voltooid waar een klassieke supercomputer minstens 2,5 dagen over zou hebben gedaan. Deze taak van Google is gebruikt als benchmark in de industrie om rekenkracht te vergelijken.
In mei 2021 rapporteerde een team van Chinese natuurkundigen onder leiding van Pan Jianwei (alias China’s Einstein) een QPU genaamd Zu Chongzhi, die volgens hen een miljoen keer sneller is dan Google’s Sycamore. Dit is een eerste resultaat van de 15 miljard dollar aan overheidsfinanciering voor quantumcomputing, vergeleken met de 7 miljard dollar van de VS en de EU samen. En er zullen er nog meer volgen. De bestaande financiering wordt besteed aan het bouwen van onderzoekscentra, zoals die in de provincie Anhui waar ze het Center for Excellence on Quantum Information and Quantum Physics hebben gebouwd in het aandeel van Einsteins fotonenergievergelijking E = hv. En er is een complete Quantum Valley gepland voor Jinan die in 2025 operationeel moet zijn.
Voorlopig lijkt het er dus op dat China de leiding heeft genomen in de race om het kwantumvoordeel.
Het spel is begonnen.
