De afgelopen tien jaar hebben kwantumcomputers moeite gehad om belofte en bruikbaarheid in evenwicht te brengen. Hoewel de meest geavanceerde systemen ter wereld technische wonderen blijven, worden ze geplaagd door dezelfde tekortkoming: de kwetsbaarheid van qubits – de basiseenheden van kwantumdata – en de delicate hardware die nodig is om ze te controleren. Eén enkele fluctuatie kan bijvoorbeeld een kwantumtoestand doen instorten en een berekening ongeldig maken.
De meeste kwantumsystemen zijn ook afhankelijk van grootschalige koeling die kouder is dan de diepe ruimte, waarbij cryogene rekken vaak meerdere compartimenten beslaan. Het opschalen van kwantumsystemen vereist exponentiële stijgingen van de kosten, energie en milieustabiliteit. Dus terwijl de VN 2025 heeft aangewezen als Internationaal Jaar van de kwantumwetenschap en -technologieOndanks al zijn wetenschappelijke belang blijft het commerciële traject van quantum beperkt.
Maar het Japanse conglomeraat Nippon Telegraph and Telephone Corp. (NTT) probeert die vergelijking te herschrijven. In samenwerking met de in Japan gevestigde kwantumtechnologie-ontwikkelaar OptQC probeert NTT de huidige orthodoxie te doorbreken door middel van wat bekend staat als optische kwantumcomputers, waarbij fotonen in plaats van elektrische stromen worden gebruikt om berekeningen uit te voeren. Omdat fotonen minder warmte genereren in vergelijking met op elektronen gebaseerde systemen en zich zonder weerstand kunnen verplaatsen, gebruiken deze systemen veel minder stroom.
NTT stelt dat optische systemen sneller en energiezuiniger kunnen zijn en de basis kunnen vormen voor een groenere en duurzamere dataverwerking. “Deze combinatie versnelt niet alleen de rekenkracht, maar vermindert ook de impact op het milieu, waardoor kwantumtechnologie de basis wordt voor een duurzame digitale toekomst”, zegt Shingo Kinoshita, SVP en hoofd R&D-planning bij NTT.
In plaats van te vertrouwen op koelsystemen, maakt het ontwerp van NTT gebruik van lichtbronnen en foutcorrectietechnologieën die zijn ontwikkeld in het kader van het Innovative Optical and Wireless Network (IOWN) -initiatief.
De bredere industriële strategie van Japan ligt net onder de oppervlakte van dit partnerschap. Nu de VS en China verwikkeld zijn in een geopolitieke strijd om kwantumsuprematie, wordt het Japanse fotonica-eerste model als alternatief gepositioneerd: een model dat de voorkeur geeft aan energie-efficiëntie en maakbaarheid boven extreme omgevingstechniek.
“Vandaag is de energievoetafdruk uitgeschakeld AI blijkt een mondiale uitdaging te zijn. Optische kwantumcomputing verwerkt informatie met licht, waardoor een dramatisch lager energieverbruik en schaalbare qubit-groei mogelijk worden gemaakt door middel van optische multiplexing”, zegt Kinoshita.
Een routekaart van een miljoen qubit
De aanpak bouwt voort op een aantal snelle wetenschappelijke doorbraken in het Japanse kwantum-ecosysteem.
Het afgelopen jaar demonstreerde NTT – samen met RIKEN, Fixstars Amplify, de Universiteit van Tokio en het National Institute of Information and Communications Technology – ‘s werelds eerste optische kwantumcomputerplatform voor algemeen gebruik dat berekeningen kan uitvoeren zonder externe koeling.
Het komende platform past in één kamer, een prestatie die veel toonaangevende ontwikkelaars van kwantumsystemen niet kunnen claimen.
NTT en OptQC schetsten een vijfjarenplan dat moet leiden tot de mijlpaal van 2030. Gedurende het eerste jaar zullen de bedrijven technische studies uitvoeren en beginnen met het ontwerpen van code, terwijl ze samen met externe partners vroege gebruiksscenario’s identificeren. In het tweede jaar zijn ze van plan complete ontwikkelomgevingen voor hardware en software te bouwen.
In het derde jaar verwachten ze te beginnen met het verifiëren van zakelijke gebruiksscenario’s, zoals de ontwikkeling van geneesmiddelen, economische optimalisatie, materiaalkunde en klimaatmodellering. De laatste fase zal zich richten op het opschalen van het systeem om miljoenen qubits te bereiken en het betrouwbaar genoeg te maken om gebruiksscenario’s in de echte wereld aan te kunnen, waardoor de technologie wordt voorbereid voor adoptie door bedrijven, overheden en industrieën.
Qubits moeten opschalen naar duizenden voordat quantum computing de huidige mogelijkheden van AI kan overtreffen. In tegenstelling tot klassieke bits die in gewone computersystemen worden gebruikt en die als 0 of 1 bestaan, kunnen qubits tegelijkertijd in meerdere toestanden bestaan, waardoor een exponentieel snellere verwerking van complexe berekeningen mogelijk is.
“De visie van 1 miljoen qubits voor 2030 gaat niet alleen over prestaties, het gaat over het herdefiniëren van de manier waarop we geavanceerde computing afstemmen op de grenzen van de planeet”, zegt Kinoshita. “Op de korte termijn, aangezien we streven naar 10.000 qubits in 2027, zal de eerste impact binnen NTT’s eigen communicatie-infrastructuur plaatsvinden.”
De Japanse fotonica-inspanning om kunstmatige intelligentie aan te drijven
Naarmate AI-modellen in omvang en complexiteit toenemen, is de vraag naar simulatie, optimalisatie en hoogdimensionale probleemoplossing ook exponentieel toegenomen. NTT beweert dat fotonische kwantumsystemen belangrijke versnellers zullen worden voor de volgende generatie AI- en telecommunicatienetwerken zoals 6G.
In klassieke systemen reizen elektrische signalen door halfgeleiderprocessors. Fotonische systemen vervangen deze elektronen door licht en verzenden informatie via eigenschappen zoals fotonnummer, polarisatie en amplitude.
Praktische commerciële kwantumcomputing vereist echter een schaal van 1 miljoen logische qubits, samen met betrouwbare kwantumfoutcorrectie, een mechanisme dat de subtiele fouten detecteert en corrigeert die qubits voortdurend maken. De machines van vandaag – zelfs de meest geavanceerde systemen van IBM, Google en anderen – zitten een orde van grootte onder deze grens en blijven uiterst gevoelig voor omgevingsstoringen.
NTT beweert dat fotonica de wiskunde verandert. “Het opschalen naar 1 miljoen qubits in 2030 en vervolgens overgaan op massa-implementatie zal een robuuste toeleveringsketen vereisen. Het realiseren van hoogwaardige kwantumlichtbronnen en het verbeteren van de opbrengsten bij precisieproductie zullen cruciale stappen zijn”, legt Kinoshita uit. In wezen betekent dit dat NTT in staat moet zijn om op betrouwbare wijze de belangrijkste componenten, zoals hoogwaardige lichtbronnen, te produceren en de productieopbrengsten te verbeteren, zodat de hardware op schaal kan worden gebouwd.
“Tegen 2030 zal de reikwijdte, met 1 miljoen qubits, zich uitbreiden tot buiten de telecommunicatie”, voegt hij eraan toe. “NTT is van plan deze kansen te verkennen via partnerschappen met leiders in de chemische, financiële en industriële sectoren.”
De mondiale inspanning voor een fotonische strategie
Dit is niet de eerste poging tot kwantumhardware op kamertemperatuur, aangezien bedrijven zoals het in Sydney gevestigde Quantum Brilliance ook cryogene vrije architecturen nastreven. Quantum Brilliance richt zich op edge- en datacenterimplementaties met compacte op fotonica geïnspireerde diamantapparaten, terwijl Atom Computing, met hoofdkantoor in Berkeley, Calfornia, grootschalige systemen op kamertemperatuur bouwt met behulp van neutrale atomen.
“Wij geloven echt dat optisch bestuurbare neutrale atoomqubits een niveau van flexibiliteit en bruikbaarheid mogelijk maken voor de uitdaging van het besturen van miljoenen qubits met hifi-signalen met lage overspraak bij kamertemperatuur”, zegt Ben Bloom, oprichter en CEO van Atom Computing.
Maar NTT stelt dat fotonen, en niet elektronen of atomen, een architectuur bieden die in staat is echte commerciële schaal te bereiken. De stelling is simpel: licht is inherent stabieler, genereert minder warmte en is uiteindelijk beter produceerbaar dan welk op materie dan ook gebaseerd systeem. “Deze verschuiving transformeert quantum computing van een nichetechnologie naar een algemeen beschikbare hulpbron”, zegt Kinoshita.
Toch waarschuwen experts dat het op licht gebaseerde computationele pad zijn eigen onopgeloste uitdagingen met zich meebrengt.
“Fotonica wordt geconfronteerd met aanzienlijke uitdagingen die vaak worden overspoeld in het verhaal over kamertemperatuur”, zegt Yuval Boger, Chief Commercial Officer bij het in Boston gevestigde QuEra Computing. “Je hebt vrijwel perfecte bronnen en detectoren op schaal nodig, plus efficiënte foton-foton-interacties, die niet van nature voorkomen en complexe optische elementen vereisen. De technische complexiteit van het bouwen van een fouttolerante fotonische kwantumcomputer met duizenden high-fidelity qubits is enorm.”
Als NTT op koers blijft, zou ’s werelds eerste miljoen-qubit-systeem afkomstig kunnen zijn van een optisch platform op kamertemperatuur in Tokio, ontwikkeld voor gebruik in de echte wereld, waaronder moleculaire simulatie voor de ontdekking van geneesmiddelen en materiaalkunde, modellering van financiële risico’s en optimalisatie van de productie.
“Naast technologie blijven de mondiale coördinatie van gespecialiseerde materialen en de veerkracht tegen geopolitieke risico’s van cruciaal belang”, zegt Kinoshita. “Wanneer deze systemen kunnen draaien in standaard IT-omgevingen met een ultralaag stroomverbruik en integratie op rackschaal, zullen bedrijven kosteneffectieve prestaties zien, zullen overheden strategische voordelen onderkennen en zal het publiek tastbare voordelen ervaren, zoals groenere netwerken en snellere innovatie. Dat moment zal de enorme verschuiving markeren van experimenteel naar essentieel.”
