Binnen in het onder-nul-hol van de krachtigste kwantumcomputer ter wereld

Het ziet eruit als een gouden kroonluchter en bevat de koudste plek in het universum.

Waar ik naar kijk is niet alleen de krachtigste computer ter wereld, maar technologie die cruciaal is voor financiële zekerheid, Bitcoin, overheidsgeheimen, de wereldeconomie en meer.

Kwantumcomputers vormen de sleutel waarmee bedrijven en landen de rest van de 21e eeuw kunnen winnen – en verliezen.

Voor mij hangt een meter in de lucht, in een Google-faciliteit in Santa Barbara, Californië, Willow. Eerlijk gezegd was het niet wat ik had verwacht.

Er zijn geen schermen of toetsenborden, laat staan ​​holografische hoofdcamera’s of hersenleeschips.

Willow is een reeks ronde schijven ter grootte van een olievat, verbonden door honderden zwarte stuurdraden die afdalen in een bronzen badkoelkast met vloeibaar helium, die de kwantummicrochip een duizendste graad boven het absolute nulpunt houdt.

Het ziet eruit en voelt heel jaren tachtig, maar als het potentieel van kwantum wordt gerealiseerd, zal de kwallenstructuur van metaal en draad die voor mij ligt de wereld in veel opzichten transformeren.

“Welkom in ons Quantum AI-lab”, zegt Hartmut Neven, Google’s Quantum AI-chef, terwijl we door de zwaarbeveiligde deur gaan.

Neven is een legendarische figuur, deels technologisch genie, deels technomuziekliefhebber, die zich kleedt alsof hij hier heeft gesnowboard rechtstreeks van het Burning Man-muziekfestival – waarvoor hij kunst ontwerpt. Misschien heeft hij dat wel gedaan, in een parallel universum – daarover later meer.

Zijn missie is om de theoretische natuurkunde om te zetten in functionele kwantumcomputers “om anders onoplosbare problemen op te lossen”. Hij geeft toe dat hij bevooroordeeld is, maar zegt dat deze kroonluchters de best presterende ter wereld zijn.

Een groot deel van ons gesprek gaat over wat we niet mogen filmen in dit beperkte laboratorium. Deze cruciale technologie is onderworpen aan exportcontroles en geheimhouding en vormt de kern van een race om commerciële en economische suprematie. Elk klein voordeel, van de vorm van nieuwe componenten tot de bedrijven in mondiale toeleveringsketens, is een bron van potentiële hefboomwerking.

Er hangt een opmerkelijke Californische sfeer in deze tempel van hoge wetenschap, qua kunst en kleur. Elke kwantumcomputer krijgt een naam zoals Yakushima of Mendocino, ze zijn elk verpakt in een stukje hedendaagse kunst en verschillende muurschilderingen in graffitistijl sieren de muren die worden verlicht door de felle winterzon.

Neven houdt Willow omhoog, de nieuwste kwantumchip van Google, die twee belangrijke mijlpalen heeft bereikt. Hij zei dat het de discussie over de vraag of kwantumcomputers taken kunnen uitvoeren die klassieke computers niet kunnen, voor eens en voor altijd heeft opgelost.

Willow loste ook in enkele minuten een benchmarkprobleem op waarvoor de beste computer ter wereld 10 zeven miljard jaar nodig zou hebben gehad, dus meer dan een biljoen biljoen, of één met 25 nullen aan het eind, meer dan de leeftijd van het universum.

Dit theoretische resultaat werd onlangs toegepast op het Quantum Echoes-algoritme, onmogelijk voor conventionele computers, dat helpt de structuur van moleculen te leren met behulp van dezelfde technologie die wordt gebruikt in MRI-machines.

Neven vertelt over de manieren waarop hij denkt dat deze Willow-kwantumchip zal worden gebruikt “om te helpen bij veel problemen die de mensheid nu heeft”.

‘Het zal ons in staat stellen medicijnen efficiënter te ontdekken’, zegt hij. “Het zal ons helpen de voedselproductie efficiënter te maken, het zal ons helpen energie te produceren, energie te transporteren, energie op te slaan… de klimaatverandering en de menselijke honger op te lossen.”

“Het stelt ons in staat de natuur veel beter te begrijpen en vervolgens het geheim ervan te ontsluiten om technologieën te bouwen die het leven voor ons allemaal aangenamer maken”, vertelt hij me.

Sommige onderzoekers geloven dat daadwerkelijke kunstmatige intelligentie alleen echt mogelijk zal zijn met kwantum.

Leden van het team hier hebben zojuist de Nobelprijs ontvangen voor het originele onderzoek naar ‘supergeleidende qubits’ die hier zijn gebruikt.

De Willow-chip heeft 105 qubits. De kwantuminspanning van Microsoft heeft 8 qubitsmaar hanteert een andere aanpak. De race over de hele wereld is om 1 miljoen qubits te halen voor een ‘machine op nutsschaal’ die kwantumchemie en medicijnontwerp zonder fouten kan uitvoeren. De technologie is kwetsbaar.

Wat hier gebeurt, wordt over de hele wereld nauwlettend in de gaten gehouden. Professor Sir Peter Knight, voorzitter van de National Quantum Technology Programs Strategy Advisory Board, zegt dat Willow een nieuwe weg heeft ingeslagen.

“Alle machines bevinden zich eigenlijk nog in de speelgoedmodelfase, ze maken fouten. Ze hebben foutcorrectie nodig. Willow was de eerste die aantoonde dat je foutcorrectie kunt uitvoeren door herhaalde reparatierondes, die verbeteren”, zegt hij.

Dit brengt de technologie op weg om te worden opgeschaald naar het nauwkeurig uitvoeren van een biljoen operaties, misschien binnen zeven of acht jaar, in plaats van de twee decennia die eerder werden aangenomen.

Als het eerste kwart van deze eeuw werd bepaald door de opkomst van het internet en daarna de kunstmatige intelligentie, zullen de komende 25 jaar zeker het begin zijn van het kwantumtijdperk.

Stel je voor dat je een tennisbal probeert te vinden in een van de duizend gesloten lades. Een klassieke computer opent ze allemaal in volgorde. Een kwantumcomputer opent ze allemaal tegelijk. Of op dezelfde manier: in plaats van honderd sleutels nodig te hebben om honderd deuren te openen bij normaal computergebruik, stelt Quantum je in staat om alle honderd, met één sleutel, onmiddellijk te openen.

Deze machines zullen niet voor iedereen geschikt zijn. Ze krimpen niet in telefoons, AI-brillen of laptops. Maar het punt is dat de kracht van deze computers exponentieel groeit en dat iedereen meedoet.

Ik vraag Nvidia-chef Jensen Huang of dit een bedreiging vormt voor zijn model van het leveren van gespecialiseerde chips voor AI. “Nee, in de toekomst zal er een quantumprocessor aan een computer worden toegevoegd”, antwoordt hij.

En een van de Britse leiders op dit gebied wijst op wat er in de kwantumwereld te winnen valt: de uiteindelijke macht om bijna alles te ontsleutelen, van staatsgeheimen tot Bitcoin.

“Alle cryptocurrency zal ook opnieuw moeten worden onderzocht vanwege de dreiging van quantum computing”, zegt Sir Peter.

Een toppartner van Nvidia zei vorig jaar dat hoewel Bitcoin nog een paar jaar de tijd had, de technologie tegen het einde van het decennium naar een sterkere blockchain moest overstappen.

Bronnen uit de technische industrie verwijzen naar het proces van ‘Harvest Now, Decrypt Later’ om te beschrijven hoe wordt aangenomen dat overheidsinstanties alle gecodeerde gegevens ter wereld in binnen- en buitenland opslaan, in de verwachting dat toekomstige generaties er toegang toe zullen hebben.

En dan is er nog de race over de hele wereld. De Chinese aanpak is heel anders dan de commerciële race in de VS en het Westen.

Met ongeveer 15 miljard dollar is de totale hoeveelheid middelen die in China aan de kwantumtechnologie wordt besteed mogelijk van de orde van grootte van alle andere overheidsprogramma’s van de wereld bij elkaar, zegt Sir Peter.

Sinds 2022 heeft China meer wetenschappelijke artikelen over kwantum gepubliceerd dan andere landen. De inspanningen werden geleid door een baanbrekende natuurkundige genaamd Pan Jianwei. Het is een belangrijk onderdeel van het veertiende vijfjarenplan van Peking.

China nam het besluit om zijn technologiebedrijven zoals Baidu en Alibaba ervan te weerhouden hun eigen kwantumonderzoek te ontwikkelen – en de mensen en de infrastructuur te concentreren in een staatsbedrijf. China probeert een voorsprong te krijgen op het gebied van kwantumcommunicatie en satellieten.

Vorig jaar ontwikkelde en testte Pan de Zuchongzhi 3.0-kwantumcomputer met behulp van vergelijkbare technologie, maar met een andere benadering dan die van Willow, en claimde vergelijkbare resultaten. In het najaar werd het opengesteld voor commercieel gebruik. Het voelt allemaal een beetje als het Manhattan Project uit de Tweede Wereldoorlog om de eerste kernwapens te produceren, of de Space Race van de 21e eeuw.

Groot-Brittannië is een van de wetenschappelijke kernlanden voor kwantumonderzoek. Het was een Britse wetenschapper die het oorspronkelijke onderzoek naar supergeleidende qubits deed. Er zijn hier tientallen bedrijven en geavanceerd onderzoek. De regering is van plan hier de komende weken flink in te investeren. Het is van vitaal belang voor de economie, voor militair gebruik en voor de geopolitiek. Er bestaat hoop dat Groot-Brittannië de derde macht op dit gebied zal zijn.

Terug in het Willow-lab worden er misschien nog meer existentiële vragen gesteld. Vorig jaar suggereerde Neven dat de ongekende snelheid van Willow enkele opvattingen over het bestaan ​​van een multiversum ondersteunde. In principe kan deze snelheid worden verklaard doordat Willow voor zijn rekenkracht gebruik heeft gemaakt van parallelle universums. Niet alle wetenschappers kochten dit.

“Er is nog steeds een levendig debat”, vertelt hij me. “Zoals je tijdens je laboratoriumbezoek hebt geleerd, is de reden dat kwantumcomputers zo krachtig zijn, dat ze binnen één klokcyclus twee van de 105 combinaties tegelijk kunnen aanraken. Je vraagt ​​je af waar deze verschillende dingen zijn? … Er is een versie van de kwantummechanica om over na te denken – de formulering van vele werelden – parallelle universums of parallelle realiteit.”

Willow had dit niet bewezen, zei Neven voorzichtig, maar “suggereerde dat we dit idee serieus moesten nemen”.

Dit is het snijvlak van de grens van de wereld, van technologie, van groei, en de Britse regering zal binnenkort honderden miljoenen investeren in het inhalen van Willow en de Chinezen. Het klinkt als sciencefiction. Het wordt snel een economisch feit.