Quantum computergebruik is de toepassing van kwantummechanische principes bij het uitvoeren van berekeningen. De basisfenomenen die hier worden gebruikt, zijn: verstrikking en superpositie.
Hoewel kwantumcomputing een relatief nieuw modewoord is, bestaat kwantummechanica al veel langer. Het was verantwoordelijk voor belangrijke ontwikkelingen in de elektronica-industrie en biedt bovendien antwoorden op veel van de mysteries van de mensheid.
Kwantummechanica richt zich op hoe atomen en subatomaire deeltjes werken, terwijl het woord kwantum verwijst naar het kleinste deeltje waarmee je kunt werken. Dat is de meest elementaire bouwsteen van elk fysiek object.
Van Max Planck tot Albert Einstein, Neils Bohr en Erwin Schrödinger, veel grote wetenschappers waren betrokken bij de ontwikkeling van de kwantummechanica en het uiteindelijke hoogtepunt ervan in de kwantumcomputerrace - een van de grootste technologieraces van onze tijd.
Dit bericht neemt je mee in de magische wereld van kwantumfenomenen, laat je zien hoe je er een computer van kunt maken en verkent de gerelateerde velden.
Spookachtige actie op afstand
Kwantumfenomenen tarten het conventionele begrip en werken in totaal andere termen dan de klassieke natuurkunde. Dus in de jaren dertig gebruikte Einstein de woorden "spookachtige actie op afstand" om de verschijnselen van kwantumverstrengeling te beschrijven en hoe het niet past in de conventionele wetenschap.
Kwantumverstrengeling is niets nieuws. Als je twee deeltjes op dezelfde plaats en op hetzelfde moment creëert, raken ze verstrengeld. Dat betekent dat wat er met de een gebeurt, de ander beïnvloedt.
Het is als verliefd worden en gebeld worden wanneer je aan je geliefde denkt. Of je belt en hoort "Ik wilde je net bellen". Van identieke tweelingen is ook bekend dat ze tegelijkertijd ziek worden.
Het griezeligste van kwantumverstrengeling is dat je een van de verstrengelde deeltjes ver weg kunt nemen. En aan welke omstandigheden je het ook onderwerpt, het zal het tweede deeltje onmiddellijk beïnvloeden, zelfs vanaf een half sterrenstelsel.
Quantumcomputers gebruiken deze eigenschap om enorme hoeveelheden informatie over meerdere deeltjes tegelijk op te slaan. Deze deeltjes worden qubits of kwantumbits genoemd, maar eerst kijken we naar het tweede kwantummechanische fenomeen.
Erwin Schrödinger en zijn kat
Een andere vroege kwantumonderzoeker was de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger, die net als Albert Einstein delen van kwantumverschijnselen ook belachelijk vond. Dus bedacht hij het nu beroemde gedachte-experiment genaamd "Schrödinger's kat" om de paradox van kwantumsuperpositie te visualiseren.
Dit hoewel experiment stelt dat als je een kat en iets dat de kat zou kunnen doden in een doos stopt en deze verzegelt. Je zou niet weten of de kat dood of levend was totdat je de doos opende. Dus logischerwijs was de kat zowel dood als levend totdat je de doos opende.
Superpositie is het tweede fenomeen dat quantum computing mogelijk maakt. Waar klassieke computers werken met stukjes informatie die op elk moment 1 of 0 kunnen vertegenwoordigen, werken kwantumcomputers met qubits (kwantumbits) die tegelijkertijd 0 en 1 kunnen vertegenwoordigen, net als de kat die zowel dood als in leven.
Hier is een nadere blik op qubits.
De Bit versus de Qubit
De qubit is wat quantum computing mogelijk maakt. Ook wel kwantumbit of qbit genoemd, een qubit is de kleinste eenheid van energie die je kunt manipuleren om informatie op te slaan en op te halen.
Een gewoon computerbit kan altijd maar 0 of 1 zijn. Terwijl een quantumbit beide tegelijk kan zijn. Twee gewone bits kunnen daarom op elk moment 00, 01, 10 en 11 bevatten. Maar twee kwantumbits kunnen alle vier de toestanden tegelijkertijd bevatten. Dit betekent 4x snellere rekencycli.
Met 3 gewone bits kun je op elk moment 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 en 111 krijgen. Maar 3 qubits houden alle acht toestanden tegelijkertijd vast, waardoor u 8x snellere rekencycli krijgt. Zoals je kunt zien, is deze relatie exponentieel, dan verdubbelt elk extra bit de hoeveelheid beschikbare informatie.
Dus met 5 qubits kijk je naar 32 gelijktijdige toestanden, met 10 qubits is het meer dan 1,000 toestanden en bij 20 qubits meer dan een miljoen. Bedenk nu hoeveel staten de Kwantumcomputers van 1,000 qubits die IBM en Google aan het ontwikkelen zijn, tegelijkertijd kunnen houden.
Je kunt qubits maken van fotonen, elektronen, atoomkernen, quantum dots, supergeleiders, en andere implementaties. Het doel is om een stabiele verzameling kwantumbits energie te creëren die u gemakkelijk naar believen kunt instellen en meten.
Voordelen van Quantum Computing
Het grote voordeel van quantum computing zijn de onmiddellijke resultaten van complexe problemen. Dit is vooral in situaties waar je uit vele mogelijkheden het juiste antwoord moet kiezen. En dit maakt ze geweldig voor nummerfactoring, grootschalige simulaties en patroonherkenning in kunstmatige intelligentie.
De standaardaanpak voor klassieke computers is om elke mogelijkheid te onderzoeken totdat u vindt wat u zoekt. Vaak een speld in een hooiberg genoemd, de hoeveelheid tijd die deze operatie in beslag neemt, hangt af van hoeveel hooi of records je moet doorzoeken. En hoe snel uw machine is.
Supercomputers maken dergelijke problemen gemakkelijker door de snelheid van het controleren van elke mogelijkheid te verhogen. Kwantumcomputers daarentegen kunnen alle mogelijkheden tegelijk genereren, als er voldoende qubits beschikbaar zijn. Daarom kunnen ze in een paar uur problemen berekenen die gewone computers honderden tot duizenden jaren nodig hebben om te berekenen.
Quantum Computing Problemen & Beperkingen
Terwijl je gemakkelijk bits kunt meten in een klassieke computer, vernietigt het meten van een qubit zijn toestand en die van zijn verstrengelde qubits.
Ook worden klassieke bits gemaakt van een breed scala aan halfgeleidermaterialen die gewoon een lading (1) of niet (0) moeten vasthouden. Qubits zijn echter veel complexer en moeilijker te implementeren. En naast het ruimtelijk isoleren van een qubit, moet je deze ook afschermen tegen omgevingsinvloeden, zoals temperatuur en elektrostatische schommelingen. Omdat zulke kleine veranderingen in het milieu ook deze staten zullen aantasten.
Dit verlies van verstrengeling of systeembalans wordt kwantumdecoherentie genoemd en is het grootste probleem dat de meeste onderzoekers proberen op te lossen. Het is zo ernstig dat de aankomende 1,000-qubit-machine van Google tot 1,000 qubits nodig heeft voor foutcorrectie van elke qubit. Daarmee wordt het een machine van 1 miljoen qubits.
Het betekent ook dat je momenteel niet met een quantumcomputer om kunt gaan zoals een laptop of smartphone. De computer heeft laboratoriumomstandigheden nodig om een veilig stabiliteitsniveau voor zijn qubits te handhaven.
Een ander nadeel is de beperkte reikwijdte van de zogenaamde quantum suprematie, omdat niet elk rekenprobleem gepaard gaat met grote hoeveelheden getallen of mogelijkheden. De computationele boost in de meeste andere operaties is dus te onbeduidend om een kwantumcomputerbenadering te rechtvaardigen. En tenzij kwantumcomputers goedkoper worden dan klassieke computers, zullen ze ze ook niet snel vervangen.
Ondanks al deze nadelen hebben kwantumcomputers en hun qubits veel potentie in de computerindustrie vanwege de grote aantallen die ze gemakkelijk aankunnen.
Zijn er gevaren met Quantum Computing?
Ja. Elke goede hacker weet dat elke technologie een maas in de wet heeft. Je moet het gewoon vinden. Dus, ongeacht de daadwerkelijke implementaties van kwantumcomputers in de toekomst, er zullen nog steeds problemen zijn met de technologie. En acteurs die klaar staan om op hen in te spelen.
Dit scenario verwijst naar toepassingen zoals bankieren, financiën, overheid en soortgelijke openbare activiteiten. Een tweede scenario is wanneer een kwaadwillende acteur de verbazingwekkende kracht van een goede kwantumcomputer gebruikt om een prestatie te leveren. En zoals altijd zullen mensen zich pas bewust worden van een dergelijke mogelijkheid nadat de daad is verricht.
Quantum computing doet het goed met getallen. Dus asymmetrische coderingsalgoritmen die factorisatie gebruiken, zoals de openbare sleutel RSA, zijn niet veilig. Hashing en symmetrische cryptografie, zoals de AES-256 en 512, evenals SHA-256 en 512 zijn daarentegen relatief veilig.
Andere toepassingen van kwantummechanica
Hoe opwindend de wereld van kwantumcomputing ook is, het is nog steeds slechts een onderdeel van de kwantummechanica. Met andere woorden, het kwantumfeest is nog maar net begonnen.
Kwantummechanica heeft een belangrijke rol gespeeld bij de ontwikkeling van halfgeleiders en moderne elektronica. Er wordt ook gewerkt aan kwantumnetwerken en cryptografie, zoals in Zwitserland quantum-cryptografie pionier ID Quantique. Bovendien zijn kwantumverschijnselen veelbelovend gebleken in tal van onderzoeksgebieden, waaronder fotosynthese, geurreceptoren en zelfs ons begrip van tijd.
Kwantumcomputers uit de echte wereld
Er zijn veel kwantumcomputers en vergelijkbare toepassingen. Ze komen van grote multinationals zoals Google en IBM, maar ook van overheden, en zelfs kleinere spelers zoals Rigetti.
Quantum computing is momenteel een van de populairste onderzoeksgebieden ter wereld. Er zijn dus waarschijnlijk meer geheime programma's dan je je kunt voorstellen. Hieronder enkele grote projecten:
- Google bezit machines van 54 qubit en 72 qubit
- IBM bezit meer dan 30 machines verspreid over de hele wereld, waaronder de 65-qubit Manhattan
- China is de thuisbasis van veel kwantumcomputers, waaronder een 76-qubit-machine en zelfs kwantumsatellietcommunicatie.
- Google's 54-qubit Sycamore-aangedreven machine had slechts 200 seconden nodig om te berekenen wat supercomputers 10,000 jaar nodig zouden hebben om te berekenen.
- IBM ontwikkelt een machine van 1,000 qubit tegen 2023
- Rigetti Computing bezit er vier, waaronder een machine van 31 qubit
- Google bouwt een nieuw kwantumcentrum om tegen 1,000 een computer van 2029 qubits te maken. Als we de foutcorrectie in rekening brengen, kunnen de totale qubits van die computer oplopen tot 1 miljoen.
Conclusie
Quantumcomputers zijn er om te blijven. Omdat ze veel kansen zullen creëren en echte problemen zullen oplossen waar klassieke computers al tientallen jaren mee worstelen.
Er is echter nog veel werk te doen en uitdagingen te overwinnen voordat we er zijn. En tot die tijd kan China de wereld misschien verrassen.
