Paul van Gerven
12 March

De Twentse startup Quix werkt aan een quantumcomputer-op-licht, een chip die de lijvige cryogene opstellingen moet vervangen. Een light versie van de quantumcomputer, zogezegd.

Gaat Quix een quantumcomputer maken? Ja en nee, zeggen oprichters Jelmer Renema en Hans van den Vlekkert. Ja, de fotonische computer waar de eind januari opgerichte Twentse startup zich op richt, buit quantummechanische effecten uit om bepaalde typen problemen vele malen sneller op te lossen dan klassieke computers dat ooit zouden kunnen. Maar nee, Quix’ fotonische quantumprocessor is niet wat het grote publiek onder een quantumcomputer verstaat. Qubits komen er bijvoorbeeld niet aan te pas.

De onbekendheid van fotonische quantumprocessoren is niet zo vreemd; het concept werd pas in 2011 gepubliceerd. Het kostte nog eens een paar jaar om de theorie experimenteel te bevestigen. Nu staat vast dat fotonische quantumprocessoren een specifiek type berekening kunnen uitvoeren waar klassieke computers veel moeite mee hebben. Maak het probleem groot genoeg en zij hoeven er niet eens aan te beginnen.

Het probleem is: het bouwen van een lichtprocessor die een dergelijk groot probleem aankan, is óók geen eenvoudige opgave. Zelfs voor een elementaire versie dienen al tientallen optische componenten te worden geïntegreerd op een optische chip. Maar een geschikt technologisch platform was daar tot nu toe niet voor beschikbaar.

Althans, voor zover bekend. Fysicus Renema kwam er tijdens zijn wetenschappelijke onderzoek aan de University of Oxford achter dat een dergelijk platform wel degelijk bestaat: de Triplex-technologie van het Twentse bedrijf Lionix. Werkend met Triplex willen Renema en ondernemer Van den Vlekkert binnen twee jaar de eerste commerciële fotonische quantumprocessor uitbrengen, bedoeld om de onderzoekswereld ervaring te laten opdoen met het concept. Daarna is het nog een lange weg naar een chip die klassieke computers verslaat, maar sommigen denken dat de fotonische quantumprocessor dat punt weleens eerder zou kunnen bereiken dan andere typen quantumcomputers.

INCOSE EMEA Workshop 2019

Stapsgewijs

In Oxford werkte Renema samen met de Universiteit Twente om de Triplex-technologie geschikt te maken voor quantumberekeningen. Over dat werk gaf hij later, als postdoc bij de UT, een presentatie bij Lionix. ‘Hans was bij mijn presentatie aanwezig en zag kansen in dit opkomende vakgebied. Hij stelde voor een bedrijfje te starten’, vertelt Renema.

Van den Vlekkert weet de weg in de fotonica. De ondernemer stond niet alleen aan de wieg van Lionix, hij startte meer recentelijk Phix, een foundry voor de assemblage van fotonische chips tot modules. Lionix is inmiddels in Zuid-Koreaanse handen. ‘Dat kon helaas niet anders’, zegt Van den Vlekkert. ‘Om de productie op te schalen, heb je een kapitaalkrachtige partner nodig. Die kon ik in Nederland niet vinden. De foundry blijft echter in Nederland, dat is de afspraak.’

Van den Vlekkert begreep van Renema dat die in Oxford het bewijs had geleverd dat de technologie van Lionix uitermate geschikt is om fotonische quantumprocessoren op te schalen. Cruciaal is namelijk dat fotonen lang genoeg blijven leven om in de processor de weg van lichtbron via een matrix van optische componenten naar detector af te leggen. In de meeste lichtgeleidende media doven fotonen dermate snel uit dat slechts kleine matrices haalbaar zijn. Lage lichtverliezen zijn echter een speerpunt van Lionix’ Triplex-lichtgeleiders gebaseerd op siliciumnitride.

‘De chip die ik van de UT leende, bestond uit een matrix van acht bij acht. Dat geeft uiteraard maar zeer beperkte rekenkracht, maar in zijn soort is het al een van de grootste’, zegt Renema. ‘De op een na grootste in zijn soort zelfs’, vult Van den Vlekkert aan. ‘Als we bijvoorbeeld naar zestien bij zestien zouden opschalen, hebben we al een dik record. Ons doel met Quix is om stapsgewijs chips met steeds grotere matrices te maken. Bij een zekere matrixgrootte – hoe groot precies weten we nog niet – kun je problemen oplossen die buiten het bereik van klassieke computers liggen.’

Bits&Chips: Als er geen qubits aan te pas komen, waar komt de quantumrekenkracht van jullie processor dan vandaan?

Renema: ‘Op het simpelste niveau uit interacties tussen fotonen, quantumverstrengeling en -interferentie. Daar kun je quantummechanische systemen als het ware een-op-een mee simuleren, op een directe manier. Vertaling naar digitale informatie komt er niet aan te pas. Je programmeert bijvoorbeeld een molecuul in en geeft aan wat er verandert, en die transformatie rolt dan uit de processor. Dat zijn berekeningen die zelfs voor betrekkelijk eenvoudige moleculen op gewone computers al niet meer niet te doen zijn, omdat er zo veel op elkaar inwerkende parameters bij zijn betrokken. Onze processor is zelf een quantummechanisch systeem en daarom gaat het als het ware automatisch.’

Maar kunnen jullie dan alleen rekenen aan quantummechanische systemen?

Renema knikt: ‘En aan systemen die op een of andere manier kunnen worden vertaald naar quantummechanische systemen. Er zijn bijvoorbeeld voorstellen gedaan om neurale netwerken efficiënter te trainen. Dat zou dan weer ten goede komen aan machine learning.’

Van den Vlekkert: ‘Het potentieel van moleculaire simulaties op zich is al heel groot. Als je van moleculen of materialen de eigenschappen kunt berekenen, hoef je ze niet te maken om achter die eigenschappen te komen. Dat versnelt het onderzoek aanzienlijk. Denk aan de ontwikkeling van nieuwe materialen, efficiëntere chemische processen of betere medicijnen.’

Waarom maken jullie niet meteen een enorme chip met veel rekenkracht?

Van den Vlekkert: ‘Wij denken zonder grote aanpassingen een chip met een matrix van twintig bij twintig te kunnen maken, misschien wel van vijftig bij vijftig. Hoe groot we precies kunnen gaan, is moeilijk te zeggen op dit moment, maar hoe dan ook zou het een doorbraak zijn. Het moet uiteindelijk nog veel groter, bijvoorbeeld duizend bij duizend. Dat is theoretisch beslist mogelijk, maar technisch nog niet.’

Waarom niet? Jullie hebben toch lage lichtverliezen?

Renema: ‘Elke interactie tussen fotonen doet zich voor in specifieke segmenten in de matrix. De verliezen lopen exponentieel op met de totale lengte van deze segmenten. Hoe groter de matrix, hoe groter de totale lengte van de segmenten en dus hoe groter de verliezen. Daarom is opschalen naar duizend bij duizend niet triviaal.’

Wat is jullie businessmodel? Gaan jullie ook berekeningen doen?

Van den Vlekkert: ‘Nee, wij leveren alleen de hardware, een turnkeysysteem in feite voor de quantumsoftwaremensen. Wij gaan iets aanbieden wat redelijk betaalbaar is en geen grote complexe opstellingen vereist, omdat de chip niet tegen het absolute nulpunt gekoeld hoeft te worden. De single photon-bron overigens wel, maar die is niet zo groot en die kunnen we kant-en-klaar inkopen. Ons hele systeem past op en onder een gemiddelde tafel. Aansluiten op een pc en je kunt aan de slag.’

Is de markt niet heel klein?

Van den Vlekkert: ‘We denken in elk geval over een paar jaar een aantal systemen te kunnen verkopen. Wat er daarna gebeurt, is moeilijk te voorspellen. Ook als Quix erin slaagt de chips met grote matrices te maken, kan een andere technologie het van ons winnen. Maar wat er ook gebeurt, schatrijk word je hier niet van.’

Wat zijn de volgende stappen?

Van den Vlekkert: ‘De financiering rondkrijgen. Onder anderen vier Twentse hoogleraren hebben 220 duizend euro pre-seed-kapitaal geïnvesteerd om de boel op gang te helpen; nu hebben we nog vijf miljoen euro nodig. Twee miljoen willen we lenen bij het apparatuurfonds van de provincie Overijssel. Drie miljoen willen we ophalen bij investeerders. Er lopen gesprekken met binnenlandse en buitenlandse geïnteresseerden. Rond oktober hebben we nieuwe chips af, dat zal hopelijk helpen om hen over de streep te trekken.’