Pionieren met toepassing quantumcomputer: tijd voor een quantum leap

In de olie- en gasindustrie wordt al tientallen jaren gebruikgemaakt van computers om antwoorden te vinden op grote complexe vraagstukken. Met supercomputers worden grote hoeveelheden seismische gegevens verwerkt om de juiste plekken voor succesvolle boringen te achterhalen. In de chemie worden supercomputers en kunstmatige intelligentie ingezet bij de zoektocht naar nieuwe materialen. Hoewel deze supercomputers steeds krachtiger zijn geworden, naderen zij nu de grens van de berekeningen die ze kunnen maken. Tijd voor een quantum leap.

Onlangs meldde Aramco, een van ’s werelds grootste geïntegreerde energie- en chemiebedrijven, dat het een overeenkomst heeft getekend met Pasqal, specialist in quantumcomputers. De overeenkomst houdt in dat Pasqal een 200-qubit quantumcomputer in het Koninkrijk Saudi-Arabië installeert, onderhoudt en exploiteert. Deze moet in de tweede helft van 2025 operationeel zijn.

Met 200 qubits is het de grootste quan­tumcomputer die Pasqal tot nu toe op de markt heeft gebracht. Het bedrijf heeft in het verleden twee quantumcomputers verkocht – beide van iets meer dan 100 qubits – aan door de EU gesteunde rekencentra in Frankrijk en Duitsland.

Energiesector

Volgens Ahmad Al-Khowaiter, EVP Technologie & Innovatie van Aramco, past de overeenkomst met Pasqal in het streven om pionier te worden in het gebruik van quantum computing in de energiesector. Pasqal en Aramco zijn van plan de quantumcomputer te gebruiken om nieuwe toepassingen te vinden in de energiesector, zoals het optimaliseren van processen, het verbeteren van de logistiek en het stroomlijnen van de toeleveringsketen. In een eerder stadium sloot Aramco ook een samenwerkingsovereenkomst met IBM.

Een quantumcomputer kan nog niet zo heel veel met 200 qubits. Bedrijven die ze aanschaffen, gebruiken de apparaten meestal experimenteel, om vast te stellen welke toepassingen het meest veelbelovend lijken. Op die manier bereiden ze zich voor op het moment dat er krachtiger quantumcomputers op de markt komen. Om echt grote en complexe problemen aan te pakken, zijn er volgens deskundigen machines met honderdduizend tot een miljoen qubits nodig.

Nieuwe samenwerkingen

Overigens is Aramco niet de enige grote oliemaatschappij die zich al enige tijd op het terrein van quantumcomputers begeeft. Uit gegevens van het internationale onderzoeksbureau Global Data, dat onderzoek deed naar quantumcomputers in de olie- en gasindustrie, blijkt dat er verschillende samenwerkingen zijn tussen ontwikkelaars van quantumcomputers en de olie- en gasindustrie.

Er wordt volop gepionierd om te kijken waar de inzet van quantumcomputers het meeste toevoegt. Mogelijke toepassingen zijn onder andere het begrijpen van de geologie van de ondergrond voor de exploratie van nieuwe olie- of gasbronnen, moleculaire modellering, emissiebeperking en het lokaliseren van boorposities. De rekenkracht en snelheid van quantumcomputers zou ook kunnen helpen bij de zoektocht naar nieuwe materialen voor het terugdringen van CO2-emissies via de afvang en opslag van CO2. Verder wordt gekeken hoe de vraag beter kan worden afgestemd op de productie en hoe toeleveringsketens kunnen worden geoptimaliseerd.

Ondergrond

BP en ExxonMobil werken samen met IBM aan de ontwikkeling van quantum­computers voor het onderzoeken van de ondergrond, terwijl TotalEnergies en Shell de technologie gebruiken voor onderzoek naar moleculaire modellering en emissiereductie. Baker Hughes, een grote dienstverlener voor de olie- en gasindustrie, heeft een aantal octrooien ingediend voor toepassingen van quan­tumcomputers, waaronder het positioneren van boorputten en geosturing.

Eerder dit jaar deelde het Braziliaanse Petrobras op een technologieconferentie mee dat het bedrijf bezig is met het testen van quantum computing. Hoewel de ontwikkeling nog in een vroege fase verkeert, verwacht het bedrijf binnen vijf jaar echt aan de slag te gaan met quantum computing. Carlos Barretto, CIO van Petrobras, ziet vooral potentieel in het opsporen van nieuwe bronnen en het maken van analyses.

Complexe chemische processen

Shell onderzoekt wat de meerwaarde van quantumcomputers is voor haar energie- en chemieactiviteiten. Sinds 2020 werkt Shell bijvoorbeeld samen met theoretisch natuurkundigen en scheikundigen van de Universiteit Leiden en de Vrije Universiteit van Amsterdam. Onderzocht wordt hoe quantumcomputeralgoritmen kunnen helpen bij het simuleren van complexe moleculen. Quantumcomputers hebben het potentieel om chemische interacties te simuleren met een snelheid en schaal die fundamenteel groter zijn dan wat op de huidige supercomputers mogelijk is.

Volgens Shell zal quantum computing een cruciale factor zijn in het simuleren van complexe chemische systemen op industriële schaal, zoals katalyse in petrochemische processen. Een andere belangrijke toepassing is het modelleren van complexe chemische processen in de energie- en grondstoffentransitie, zoals fotokatalyse voor het opvangen en opslaan van zonne-energie, elektrolyse om groene waterstof te maken, het afvangen en omzetten van CO2, en het omzetten van methaan in elementair koolstof en waterstof.

Algoritmen

Hoewel er veel wordt geschreven en gesproken over het gebruik van quantumcomputers in de olie- en gasindustrie, zullen de eerste commerciële quantumcomputers pas over tientallen jaren beschikbaar zijn. Dat heeft alles te maken met het feit dat quantumcomputers nog steeds extreem moeilijk zijn te bouwen, te bedienen en te programmeren. Duizenden wetenschappers en ingenieurs over de hele wereld, waaronder in Nederland dat met veel start-ups toonaangevend is op het gebied van quantumcomputers, werken eraan om ze te bouwen. Daarnaast wordt er steeds meer aandacht besteed aan de ontwikkeling van algoritmen en programma’s die op deze computers draaien.

‘Binnen de komende vijf tot zeven jaar zullen waarschijnlijk kleinere quan­tumcomputers beschikbaar komen die voor één bepaalde optimalisatietoepassing een quantumvoordeel kunnen bieden ten opzichte van klassieke computers. Bijvoorbeeld ruimteoorlogvoering, logistiek, ontdekking van medicijnen en handel in opties’, aldus GlobalData. ‘In de olie- en gasindustrie zouden deze eenheden zeer waardevol kunnen zijn om bijvoorbeeld operationele kosten en risico’s te verminderen of om krachtige simulaties uit te voeren en emissies te beperken.’

Hoe werkt een quantumcomputer?

Quantum computing is een tak van de computerwetenschap die gebruikmaakt van de principes van de quantumtheorie. De quantumtheorie verklaart het gedrag van energie en materiaal op atomair en subatomair niveau. Quantum computing maakt gebruik van subatomaire deeltjes, zoals elektronen of fotonen.

De supercomputers zoals we die tot nu toe kennen, voeren berekeningen uit met klassieke bits: elektronisch gecodeerde enen en nullen. Een quantum computer gebruikt quantumbits (qubits) waarbij een qubit zowel 1 als 0 kan zijn, of allebei tegelijk in wat een superpositie wordt genoemd.

Deze eigenschap maakt het mogelijk meerdere berekeningen parallel uit te voeren. Hiermee kan de rekentijd voor complexe berekeningen drastisch worden verminderd en neemt de snelheid exponentieel toe. Het nadeel van quantum computers is dat ze gevoelig zijn voor invloeden van buitenaf en gevoelig voor fouten, wat de nauwkeurigheid ervan kan beïnvloeden. Tot nu toe worden de resultaten van quantum computers gecontroleerd door simulatie met klassieke computers. Voor grotere toepassingen wordt gezocht naar methoden om de stabiliteit en betrouwbaarheid van de computers te vergroten.