211service.com
Explainer: wat is een kwantumcomputer?
Afbeelding met dank aan Rigetti Computing. Foto door Justin Fantl.
Dit is de eerste in een reeks uitleg over kwantumtechnologie. De andere twee gaan over kwantumcommunicatie en post-kwantumcryptografie.
Een kwantumcomputer maakt gebruik van enkele van de bijna mystieke fenomenen van de kwantummechanica om enorme sprongen voorwaarts te maken in de verwerkingskracht. Quantummachines beloven zelfs de meest capabele supercomputers van vandaag en morgen te overtreffen.
Ze zullen conventionele computers echter niet vernietigen. Het gebruik van een klassieke machine zal nog steeds de gemakkelijkste en meest economische oplossing zijn om de meeste problemen aan te pakken. Maar kwantumcomputers beloven opwindende ontwikkelingen op verschillende gebieden mogelijk te maken, van materiaalwetenschap tot farmaceutisch onderzoek. Bedrijven experimenteren er al mee om onder meer lichtere en krachtigere batterijen voor elektrische auto's te ontwikkelen en om nieuwe medicijnen te helpen ontwikkelen.
Het geheim van de kracht van een kwantumcomputer ligt in het vermogen om kwantumbits of qubits te genereren en te manipuleren.
Wat is een qubit?
De computers van tegenwoordig gebruiken bits - een stroom van elektrische of optische pulsen die een s of 0 s. Alles, van je tweets en e-mails tot je iTunes-nummers en YouTube-video's, zijn in wezen lange reeksen van deze binaire cijfers.
Quantumcomputers daarentegen gebruiken qubits, die typisch subatomaire deeltjes zijn, zoals elektronen of fotonen. Het genereren en beheren van qubits is een wetenschappelijke en technische uitdaging. Sommige bedrijven, zoals IBM, Google en Rigetti Computing, gebruiken supergeleidende circuits die worden gekoeld tot temperaturen die lager zijn dan in de verre ruimte. Anderen, zoals IonQ, vangen individuele atomen op in elektromagnetische velden op een siliciumchip in ultrahoogvacuümkamers. In beide gevallen is het doel om de qubits te isoleren in een gecontroleerde kwantumtoestand.
Qubits hebben een aantal eigenaardige kwantumeigenschappen, wat betekent dat een verbonden groep van hen veel meer verwerkingskracht kan bieden dan hetzelfde aantal binaire bits. Een van die eigenschappen staat bekend als superpositie en een andere wordt verstrengeling genoemd.
Wat is superpositie?
Qubits kunnen tal van mogelijke combinaties van vertegenwoordigen een en 0 tegelijkertijd. Dit vermogen om tegelijkertijd in meerdere toestanden te zijn, wordt superpositie genoemd. Om qubits in superpositie te plaatsen, manipuleren onderzoekers ze met behulp van precisielasers of microgolfstralen.
Dankzij dit contra-intuïtieve fenomeen kan een kwantumcomputer met meerdere qubits in superpositie tegelijkertijd een groot aantal potentiële uitkomsten doornemen. Het eindresultaat van een berekening komt pas naar voren als de qubits zijn gemeten, waardoor hun kwantumtoestand onmiddellijk instort tot ofwel een of 0 .
Wat is verstrengeling?
Onderzoekers kunnen paren van qubits genereren die verstrengeld zijn, wat betekent dat de twee leden van een paar in een enkele kwantumtoestand bestaan. Het veranderen van de toestand van een van de qubits zal onmiddellijk de toestand van de andere op een voorspelbare manier veranderen. Dit gebeurt zelfs als ze door zeer lange afstanden van elkaar zijn gescheiden.
Niemand weet precies hoe of waarom verstrengeling werkt. Het verbijsterde zelfs Einstein, die het beroemd beschreef als spookachtige actie op afstand. Maar het is de sleutel tot de kracht van kwantumcomputers. In een conventionele computer verdubbelt een verdubbeling van het aantal bits de verwerkingskracht. Maar dankzij verstrengeling zorgt het toevoegen van extra qubits aan een kwantummachine voor een exponentiële toename van het vermogen om getallen te kraken.
Kwantumcomputers gebruiken verstrengelde qubits in een soort kwantum-madeliefjesketting om hun magie te bewerken. Het vermogen van de machines om berekeningen te versnellen met behulp van speciaal ontworpen kwantumalgoritmen, is de reden waarom er zoveel geroezemoes is over hun potentieel.
Dat is het goede nieuws. Het slechte nieuws is dat kwantummachines veel foutgevoeliger zijn dan klassieke computers vanwege decoherentie.
Wat is decoherentie?
De interactie van qubits met hun omgeving op een manier die ervoor zorgt dat hun kwantumgedrag vervalt en uiteindelijk verdwijnt, wordt decoherentie genoemd. Hun kwantumtoestand is extreem kwetsbaar. De geringste trilling of verandering in temperatuur - storingen die in kwantumtaal ruis worden genoemd - kan ervoor zorgen dat ze uit superpositie vallen voordat hun werk goed is gedaan. Daarom doen onderzoekers hun best om qubits te beschermen tegen de buitenwereld in die onderkoelde koelkasten en vacuümkamers.
Maar ondanks hun inspanningen zorgt ruis nog steeds voor veel fouten in berekeningen. Slimme kwantumalgoritmen kunnen sommige hiervan compenseren, en het toevoegen van meer qubits helpt ook. Er zijn echter waarschijnlijk duizenden standaard qubits nodig om een enkele, zeer betrouwbare qubit te maken, ook wel een logische qubit genoemd. Dit zal veel van de rekencapaciteit van een kwantumcomputer ondermijnen.
En daar zit het probleem: tot nu toe hebben onderzoekers niet meer dan 128 standaard qubits kunnen genereren (zie onze qubit-teller hier ). We zijn dus nog vele jaren verwijderd van het verkrijgen van kwantumcomputers die breed inzetbaar zullen zijn.
Dat heeft de hoop van pioniers om de eerste te zijn die quantum suprematie aantoont niet aangetast.
Wat is quantum suprematie?
Het is het punt waarop een kwantumcomputer een wiskundige berekening kan voltooien die aantoonbaar buiten het bereik ligt van zelfs de krachtigste supercomputer.
Het is nog steeds onduidelijk hoeveel qubits er precies nodig zijn om dit te bereiken, omdat onderzoekers steeds nieuwe algoritmen vinden om de prestaties van klassieke machines te verbeteren, en supercomputerhardware wordt steeds beter. Maar onderzoekers en bedrijven werken er hard aan om de titel te claimen door tests uit te voeren met enkele van 's werelds krachtigste supercomputers.
Er is veel discussie in de onderzoekswereld over hoe belangrijk het zal zijn om deze mijlpaal te bereiken. In plaats van te wachten tot de suprematie wordt uitgeroepen, beginnen bedrijven al te experimenteren met kwantumcomputers die zijn gemaakt door bedrijven als IBM, Rigetti en D-Wave, een Canadees bedrijf. Chinese bedrijven zoals Alibaba bieden ook toegang tot kwantummachines. Sommige bedrijven kopen kwantumcomputers, terwijl anderen computers gebruiken die beschikbaar zijn via cloud computing-services.
Waar is een kwantumcomputer waarschijnlijk het eerst nuttig?
Een van de meest veelbelovende toepassingen van kwantumcomputers is het simuleren van het gedrag van materie tot op moleculair niveau. Autofabrikanten zoals Volkswagen en Daimler gebruiken kwantumcomputers om de chemische samenstelling van batterijen van elektrische voertuigen te simuleren om nieuwe manieren te vinden om hun prestaties te verbeteren. En farmaceutische bedrijven gebruiken ze om verbindingen te analyseren en te vergelijken die kunnen leiden tot de creatie van nieuwe medicijnen.
De machines zijn ook geweldig voor optimalisatieproblemen, omdat ze extreem snel een groot aantal mogelijke oplossingen kunnen doornemen. Airbus gebruikt ze bijvoorbeeld om de meest brandstofefficiënte stijg- en daalpaden voor vliegtuigen te berekenen. En Volkswagen heeft een dienst onthuld die de optimale routes voor bussen en taxi's in steden berekent om congestie te minimaliseren. Sommige onderzoekers denken ook dat de machines kunnen worden gebruikt om kunstmatige intelligentie te versnellen.
Het kan behoorlijk wat jaren duren voordat kwantumcomputers hun volledige potentieel bereiken. Universiteiten en bedrijven die eraan werken, hebben te maken met een tekort aan bekwame onderzoekers in het veld - en een gebrek aan leveranciers van enkele belangrijke componenten. Maar als deze exotische nieuwe computermachines hun belofte waarmaken, kunnen ze hele industrieën transformeren en wereldwijde innovatie een boost geven.