Quantumcomputers en zelfrijdende auto’s hebben een opmerkelijke overeenkomst: de verwachtingen over hun prestaties zijn al jarenlang hooggespannen, maar beide wonderen der techniek laten vooralsnog op zich wachten. Onderzoekers Barbara Terhal en Erik Vinkhuyzen vertellen tijdens de ICT.OPEN2017 over enkele technische en sociale hordes die nog genomen moeten worden.

“Het grootste probleem is het quantum bit, de bouwsteen van de quantum computer”, vertelt Barbara Terhal, hoogleraar Theoretische Natuurkunde van de Universiteit van Aachen, daags voor de conferentie. “De huidige quantum bits zijn nog vrij rommelig.”

Een klassieke computer bevat enorme hoeveelheden bits, de kleinste informatie-eenheid die slechts twee waardes kan hebben: nul of een. Een quantum bit, vaak qubit genoemd, kan beide waardes tegelijk hebben. Dankzij deze eigenschap is de quantum computer in staat om vele berekeningen tegelijkertijd uit te voeren in plaats van achter elkaar. In theorie althans. Want het mag lastig zijn je iets voor te stellen bij een qubit, het fysiek toepasbaar maken van het principe is nog veel moeilijker. En dat komt dus onder meer door die rommeligheid.

“Bits kunnen we lang opslaan,” legt Terhal uit. “Huidige qubits hebben daarentegen een korte houdbaarheid, voor bijvoorbeeld supergeleidende qubits is dat ongeveer een tienduizendste seconde. Dat betekent dat de logische poorten, waarmee berekeningen in de quantum computer worden uitgevoerd, nóg sneller moet werken.”

Gelukkig kunnen meerdere qubits worden gebruikt om samen één qubit te vormen die wat langer stabiel blijft, bijvoorbeeld een duizendste seconde, of zelfs langer. Hoe meer qubits je daarvoor inzet, des te stabieler wordt het resultaat. “Met elke qubit die je toevoegt, wordt de houdbaarheid van het resultaat snel groter; het schaalt exponentieel met het aantal qubits”, legt Terhal uit. “Er zijn nu groepen bezig met chips van rond de 20 qubits die samen één stabiele qubit vormen. Voor een werkende computer heb je er echter miljoenen nodig. Dat opschalen is een grote uitdaging.”

Foutcorrectie

Logische poorten vormen de basis van berekeningen met quantum bits. De juistheid van een berekening staat of valt dus bij het goed uitvoeren van deze poorten. De rommeligheid van de qubit zorgt echter ook voor een grotere kans op fouten in de logische poorten. Foutcorrectie, het vakgebied van Terhal, zorgt ervoor dat deze fouten worden verbeterd. “Stel, je moet een berekening doen waar je niet goed in bent,” legt de hoogleraar uit. “Af en toe maak je een fout. Als je de berekening dan drie keer herhaalt, kies je gewoon het antwoord waarop je het vaakst uitkomt. Op dit principe, redundantie, is foutcorrectie gebaseerd.”

Wanneer de kans op fouten te groot is, werkt dit principe alleen niet: wie een berekening te vaak fout doet, kan er niet op vertrouwen dat de meest voorkomende uitkomst klopt.

“Bij quantum computers is de foutkans erg afhankelijk van de hardware,” legt Terhal uit. “Gewone supergeleidendende quantum chips zijn bijvoorbeeld plat, terwijl quantum foutcorrectie waarschijnlijk veel makkelijker is in drie, of zelfs vier dimensies.” Dat dit laatste lastig te materialiseren valt, illustreert de complexheid van het vakgebied. “Dit is een ‘upside-down-vakgebied’: we ontwikkelen theoretische ideeën, maar de hardware om het uit te proberen is tegelijkertijd actief in ontwikkeling.”

Zelfrijdende auto’s

Zo abstract als het vakgebied van Terhal is, zo alledaags – maar niet minder hardnekkig en lastig op te lossen – zijn de problemen waarmee Erik Vinkhuyzen zich bezighoudt. Vinkhuyzen, onderzoeker bij het Nissan Research Center in Silicon Valley, bestudeert de manier waarop menselijke weggebruikers met elkaar omgaan en communiceren. Onze sociale gewoonten en verwachtingen op de weg bepalen namelijk in belangrijke mate de eisen waaraan een zelfrijdende auto in de toekomst moet voldoen. En die eisen zijn behoorlijk hoog.

“Een van de problemen van zelfrijdende auto’s is dat ze terechtkomen op plaatsen waar mensen al op hun eigen manier rijden, fietsen en wandelen”, vertelt Vinkhuyzen. “Die autonome auto’s moeten daarom veel meer kunnen dan zich houden aan expliciete verkeersregels. Ze moeten de bedoelingen van mensen kunnen interpreteren.”

Met filmopnames van verkeerssituaties in de buurt van zijn werkplek laat hij zien wat hij bedoelt. We zien een voetganger die rustig de stoep af stapt, naar de chauffeurszijde van een auto loopt en instapt. Een menselijke automobilist zal het zien vanuit zijn ooghoek en rustig verder rijden. Voor een computeralgoritme is het veel minder vanzelfsprekend dat deze voetganger niet oversteekt. Wellicht zal een zelfrijdende auto in zo’n geval stoppen.

“Als één auto een keer onnodig wacht, is dat niet zo erg”, zegt Vinkhuyzen. “Maar als meerdere auto’s achter elkaar stilstaan, beïnvloedt dat de verkeersdoorstroom en wordt het een probleem.”

Onuitgesproken regels

Een ander voorbeeld. Op een groot kruispunt met zebrapaden mogen auto’s van tegengestelde richtingen doorrijden in volgorde van aankomst. Dat is de Amerikaanse verkeersregel. De praktijk is echter anders. Op het moment dat de eerste auto even wacht op een overstekende voetganger, rijdt een auto die van links komt alvast rechtdoor. “In geen enkele regel staat geschreven dat dit mag”, vertelt Vinkhuyzen, “maar het is wel heel gebruikelijk.”

Bij alles wat mensen doen, dus ook in het verkeer, houden ze zich aan onuitgesproken, sociale regels waarvan ze zich vaak niet eens bewust zijn. Juist het sociale aspect van de regels maakt ze lastig programmeerbaar: wat in de ene situatie geldt, hoeft in een andere niet op te gaan. Een oplossing zou kunnen zijn, dat mensen zich aanpassen aan de zelfrijdende auto. Zoals ervaren weggebruikers weten dat ze afstand moeten houden tot lesauto’s, zo zouden ze ook rekening kunnen houden met autonome voertuigen. “Het tegenovergestelde kan alleen ook gebeuren”, zegt Vinkhuyzen. “Zo blijken er mensen te zijn die de autonome auto’s van Google op de snelweg afsnijden, omdat ze denken dat die toch wel remmen.”

Tussenvormen

Ondanks deze obstakels noemen veel experts 2020 als het jaar waarin de eerste zelfrijdende auto’s de markt op komen. Dat kan ook wel, zegt Vinkhuyzen, alleen zullen de eerste generaties in bepaalde situaties nog menselijke besturing vergen. “Vooral in de stad zal de mens het soms moeten overnemen. Het blijkt echter soms vrij lang te kunnen duren, voordat de bestuurder zich voldoende gewaar is van het verkeer om in te kunnen grijpen. Daarom doen we veel onderzoek naar technologieën die erop gericht zijn te controleren of de bestuurder nog alert genoeg is.”

Ook de eerste volwaardige quantum computer laat nog op zich wachten. Toch ontstaan ook op dit gebied nu al de eerste ‘tussenvormen’, vertelt Terhal. “Er zijn nu al experimentele quantum chips met slechts enkele, rommelige qubits. De IBM quantum Experience, een systeem met vijf qubits, is daarvan een voorbeeld. Het kan gebruikt worden om quantum systemen te simuleren, bijvoorbeeld de elektronenverdeling over een scheikundig molecuul. In de toekomst komt IBM waarschijnlijk met online quantum systemen, waarmee iedereen kan experimenteren. Je kunt dan je eigen quantum foutcorrectie uitproberen.”

Verfrissende perspectieven

Terhal is theoretisch natuurkundige. Juist haar afwijkende perspectief kan voor ICT’ers interessant zijn. “Voor software ingenieurs staat dit onderwerp nu misschien ver van het bed, maar deze ontwikkeling stopt niet,” zegt Terhal. “Door de verschillende lagen software hebben mensen bij de huidige computers nog maar weinig contact met de hardware. Het is verfrissend om te zien dat in ons vakgebied al die hardware nog verzonnen moet worden.”

Vinkhuyzen heeft een sociaal-wetenschappelijke achtergrond. Ook zijn insteek is voor software ingenieurs niet vanzelfsprekend. “Software ingenieurs zijn erg gericht op duidelijke technische problemen, zoals het onderscheid maken tussen rode en oranje verkeerslichten,” zegt Vinkhuyzen hierover. “Over sociale problemen die optreden in het verkeer, hebben ze vaak nog niet nagedacht. Maar voor het ontwikkelen van veilige autonome auto’s moet je onderkennen dat rijden op de weg een sociale bezigheid is.”

Barbara Terhal

Barbara Terhal is hoogleraar Theoretische Natuurkunde aan de universiteit van Aachen. Eerder werkte zij bij het IBM Watson Research Center in New York. Zij ontwikkelt quantum informatieprotocollen en is expert op het gebied van quantum foutcorrectie en faaltoleratie. Terhal is fellow bij de American Physical Society en buitengewoon hoogleraar bij het Perimeter Institute (Canada).

Erik Vinkhuyzen

Dr. Erik Vinkhuyzen is een senior onderzoeker bij het Nissan Research Center in Silicon Valley. Vanuit een sociaal-wetenschappelijk perspectief draagt hij bij aan de ontwikkeling van zelfrijdende voertuigen. Eerder werkte hij onder meer bij het Computing Sciences Laboratory van Xerox PARC en het NASA Ames Research Center.

Abstract

At the ICT.OPEN2017 Conference for ICT Research Erik Vinkhuyzen will show that driving a car implicates knowing many implicit social rules that are hard to learn for an algorithm. Barbara Terhal will outline the challenge to make a robust and fault-tolerant quantum processor and discuss the central role played by quantum error correction.

Dit artikel verscheen in het aprilnummer van I/O-magazine.