Recente opwinding rond kwantumcomputers benadrukte vaak hun potentieel om een revolutie teweeg te brengen in de kwantumchemie – het versnellen van de ontdekking van geneesmiddelen, de materiaalwetenschap en meer. Een nieuwe analyse suggereert echter dat dit pad veel uitdagender kan zijn dan eerder werd aangenomen. Hoewel quantum computing snelle vooruitgang heeft geboekt, blijft de vraag welke toepassingen de enorme investering werkelijk zullen rechtvaardigen.
De belofte en de realiteit
Het kernidee was logisch: kwantumcomputers blinken uit in het gelijktijdig verwerken van veel kwantumdeeltjes (zoals elektronen in moleculen), waardoor ze ideaal zijn voor complexe moleculaire energieberekeningen. Dit is een probleem waar klassieke computers mee worstelen, omdat de vraag naar computers exponentieel groeit met de grootte van het molecuul. Toch geeft nieuw onderzoek aan dat twee toonaangevende kwantumalgoritmen mogelijk een beperkt praktisch nut hebben.
Geluids- en fouttolerantie: een catch-22
Onderzoekers onder leiding van Xavier Waintal van CEA Grenoble onderzochten zowel luidruchtige kwantumcomputers op middelmatige schaal (NISQ) als hypothetische fouttolerante machines. Voor NISQ-apparaten kan het Variational Quantum Eigensolver (VQE)-algoritme moleculaire energieniveaus berekenen, maar alleen als de kwantumruis (fouten) in onpraktische mate wordt onderdrukt. Om VQE concurrerend te maken met klassieke scheikundige algoritmen heb je in wezen een vrijwel foutloze kwantumcomputer nodig – die nog niet bestaat.
Het alternatief, Quantum Phase Estimation (QPE), is veelbelovend voor fouttolerante machines, maar lijdt onder wat onderzoekers de ‘orthogonaliteitscatastrofe’ noemen. Dit betekent dat naarmate moleculen groter worden, de kans op het nauwkeurig berekenen van hun laagste energieniveau exponentieel daalt. Zelfs met ideale kwantumcomputers zal QPE slechts in een beperkt aantal gevallen effectief zijn.
Implicaties en alternatieven
Volgens Thibaud Louvet van Quobly moet de haalbaarheid van QPE worden gezien als een maatstaf voor kwantumvolwassenheid, en niet als een mainstream chemisch instrument. George Booth van King’s College London, die niet betrokken was bij het onderzoek, is het daarmee eens: ‘Het is gemakkelijk om de vooruitzichten van kwantumcomputers te overdrijven… Dit onderzoek doet twijfel rijzen over de vraag of kwantumchemie echt zo’n snelle overwinning is.’
Ondanks deze tegenslag hebben kwantumcomputers nog steeds potentieel in de chemie. Een veelbelovend gebied is het simuleren van de manier waarop chemische systemen reageren op verstoringen (zoals laserlicht), wat wellicht toegankelijker blijkt te zijn dan pure energieberekeningen.
De studie benadrukt dat de weg naar quantum suprematie in de chemie aanzienlijk complexer is dan aanvankelijk verwacht, waardoor een herbeoordeling van de investeringsprioriteiten in het veld noodzakelijk is.
