De kwantumcomputer als de sleutel tot de kwantumwereld?
Na het lezen van de eerste zin hebben waarschijnlijk veel mensen deze pagina in angst en haast gesloten. Echter, degenen die een iets grotere honger naar kennis hebben en niet bang zijn om hun hersenganglia te vervuilen met een beetje mentale inspanning, nodig ik je uit om verder te lezen.
De wereld van de kwantumfysica is een plek waar verschijnselen zo vreemd en abstract voorkomen dat de meeste mensen ze vermijden. Nou, niemand heeft gezegd dat alles in ons universum eenvoudig en verklaarbaar is. Het is echter de moeite waard om in gedachten te houden dat alles om ons heen, en ons op atomair niveau, is gebouwd en werkt volgens de regels van deze vreemde wereld van de kwantummechanica.
Behalve dat het vreemd en onbegrijpelijk is, is het ook gebaseerd op de waarschijnlijkheidstheorie. De meeste dingen in de kwantummechanica, zoals de positie van een elektron in de ruimte in de baan van een atoom, kunnen alleen met een bepaalde waarschijnlijkheid worden bepaald. Dit leidt weer tot de conclusie dat zo’n elektron met een zekere waarschijnlijkheid op twee plaatsen tegelijk kan zijn. Om het nog vreemder te maken: een elektron, dat we ons voorstellen als een microdeeltje, kan tegelijkertijd fungeren als een puntobject, zeg maar een kogel afgevuurd uit een geweer, en als een golf die zich door de ruimte voortplant, zoals golven in het water achter een steen. wordt erin gegooid, en het hangt er allemaal van af of we observeren (meten) of niet. Wat is het beroemde experiment van Young.
Om te ontdekken waarom dit zo is, wacht de Nobelprijs op je. Niemand heeft echt alle geheimen van de kwantumwereld ontdekt, zelfs Albert Einstein niet. Alsof dat nog niet genoeg is, is er het fenomeen kwantumverstrengeling in de kwantummechanica. In dit fenomeen gedragen twee deeltjes, bijvoorbeeld onze elektronen, zich precies hetzelfde als je kunt zeggen, ze hebben dezelfde informatie, theoretisch op elke afstand. Wat is de theoretische basis van een teleportatie waarvan ik denk dat iedereen ervan heeft gehoord. Dit fenomeen geldt ook voor de werking van kwantumcomputers.
Hieronder staat een IBM Q-kwantumcomputer op CES 2020
Quantumcomputer: waar gaat het over?
Nou, tot het randje, want als iemand geïnteresseerd is, en ik hoop in ieder geval een beetje in je verbeelding, de rest valt waarschijnlijk al in slaap. In een klassieke computer wordt de rol van informatiedrager gespeeld door een bit, die twee waarden 1 en 0 kan aannemen. In een kwantumcomputer is de informatiedrager een qubit, oftewel een kwantumbit. Het ziet er echter niet uit als een gewoon bit, omdat de kwantumfysica verantwoordelijk is voor de werking ervan. Fysiek kan een qubit worden weergegeven door elk kwantumsysteem met twee verschillende grondtoestanden, zoals elektronische spin. Een elektron kan omhoog of omlaag draaien, wat we kunnen zien als bollen die om hun as draaien en naar links of rechts kunnen draaien. De qubit is een superpositie van nul en één, wat betekent dat het met enige waarschijnlijkheid in de nultoestand is en met enige waarschijnlijkheid in de ene toestand.
Deze qubits worden gecombineerd tot grotere kwantumregisters, waarop complexere berekeningen kunnen worden uitgevoerd. De gegevens in deze records worden vervolgens verwerkt door speciale kwantumpoorten, waardoor zogenaamde kwantumcircuits ontstaan. Het eerste probleem dat moet worden overwonnen om zo’n computer te laten ontstaan, is het vermogen om de staat ervan te meten, dat wil zeggen de informatie die het bevat. Metingen in de kwantumwereld beïnvloeden de toestand van het systeem, zoals in het experiment van Young, en veranderen de superpositie ervan. Om dit te ondervangen, wordt de eerder genoemde kwantumverstrengeling gebruikt, waarbij het meten van het ene deeltje de superpositie van het andere niet vernietigt.
Kwantumverstrengeling is echter zeer moeilijk te verkrijgen. Dit vereist absolute isolatie van dergelijke systemen van externe omstandigheden, evenals temperaturen dichtbij het absolute nulpunt, d.w.z. -273 graden Celsius. Daarom zien de structuren van kwantumcomputers er zo vreemd uit, dat zijn structureel zeer complexe koelkasten waarin kwantumcircuits zijn geplaatst. Daarnaast staat ook het fenomeen decoherentie, dat wil zeggen het verlies van informatie in de qubit als gevolg van interactie met de omgeving, in de weg. Erger nog, het probleem wordt erger naarmate het aantal qubits in een kwantumrecord toeneemt, en uiteindelijk bepaalt hun grootte de rekencapaciteit van die computer. De fouten die dit alles veroorzaakt, vereisen dat het vele malen wordt herhaald en het midden ervan wordt afgeleid.
Hieronder staat IBM 7. Dit is een kwantumcomputer van zeven qubit die IBM in 2017 gebruikte om te werken aan de moleculaire structuur van berylliumhydride (BeH2).
Controleer ook: De grootste revolutie van deze eeuw? Kwantumcomputer versus realiteit
Over de mogelijkheden van kwantumcomputers gesproken, wat hebben ze ons nu echt te bieden? Welnu, een klassieke computer voert berekeningen achter elkaar uit. De kwantumcomputer daarentegen voert een veel groter aantal berekeningen in één stap uit, waardoor de rekensnelheid aanzienlijk toeneemt. Terwijl twee stukjes informatie kunnen worden opgeslagen een van de vier waarden tegelijktwee qubits kunnen worden opgeslagen iedereen vier waarden tegelijk. Met het aantal qubits neemt de hoeveelheid informatie exponentieel toe met 2^n (twee verheven tot de n-de macht), waarbij n het aantal qubits is. Bij driehonderd qubits bereiken we een waarde die groter is dan het aantal atomen in het heelal (!).
Een ander probleem is het maken van algoritmen en software voor zo’n computer. Door de grote mogelijkheden van gelijktijdige berekeningen kan dit proces zelfs als vermoeiend worden ervaren. Tot nu toe zijn er verschillende algoritmen ontwikkeld voor kwantumcomputers, waarvan het bekendste Shor’s algoritme uit 1994 is, dat bestaat uit het opsplitsen van grote getallen in priemgetallen, wat de basis vormt van het RSA-cryptografische systeem. Door dit algoritme op een kwantumcomputer uit te voeren, zouden dergelijke gegevens zeer snel kunnen worden ontcijferd, wat voor conventionele computers honderden jaren zou kosten. De tweede die ook bekend is, is het Grover-algoritme, ontwikkeld in 1996, dat zeer snelle databasezoekopdrachten mogelijk maakt.
Wat brengt de toekomst voor kwantumcomputers?
Wetenschappers van verschillende bedrijven en laboratoria bouwen kwantumcircuits met behulp van verschillende technologieën en gebruikmakend van verschillende fenomenen en ontdekkingen op het gebied van kwantumfysica. De problemen die ze moeten oplossen zijn dat echter niet, en zullen waarschijnlijk niet lang triviaal zijn. Bedrijven als IBM, Google, Microsoft, Intel, Amazon, IonQ, Quantum Circuits, Rigetti Computing en recentelijk zelfs Honeywell doen mee aan de kwantumrace. IBM heeft zelfs zijn deuren geopend om zijn software en kwantumcomputers via de cloud beschikbaar te stellen. De twee grootste computers zijn momenteel van IBM en Google. Beide bevatten 53 qubits, waardoor deze bedrijven dichter bij quantum suprematie komen, dat wil zeggen, het bereiken van een computerpotentieel dat de grootste supercomputers die momenteel bestaan, overtreft. Scientists in Nature schatten dat de tijd die supercomputers nodig hebben om dezelfde berekeningen te doen als de 53-qubit-kwantumcomputer in 200 seconden zou zijn, 10.000 jaar zou zijn, hoewel IBM zegt dat het ongeveer 2,5 dag zou duren, wat ongeveer 1000 keer langer is. Snel.
Het bedrijf D-Wave, wiens kwantumcircuits al een duizelingwekkende 2.000 qubits bereiken, is een controversieel onderwerp in de wereld van kwantumcomputers. Hun schijven zijn echter geoptimaliseerd voor een beperkt computergebied en worden door veel wetenschappers niet beschouwd als kwantumcomputers voor algemene doeleinden.
Hieronder een D-Wave-kwantumcomputercomputer met 2.000 qubits.
Controleer ook: Google benadert Quantum Supremacy, zou een revolutie kunnen zijn zoals een transistor
Dus wat zal de kwantumtoekomst ons brengen? Naast het doorbreken van bestaande cryptografische systemen, kunnen kwantumcomputers worden gebruikt om nieuwe cijfers te bouwen op basis van de principes van de kwantummechanica. Deze keer zouden ze onbreekbaar zijn, omdat ze de principes van de hele kwantumfysica omver zouden moeten werpen. Wat kwantumcomputers onderscheidt, is het vermogen om berekeningen uit te voeren in velden die zijn gebaseerd op kwantumfysica in hun structuur. Dit geldt bijvoorbeeld voor het onderzoek naar nieuwe medicijnen en materialen, wat voor klassieke computers een zeer vervelende en tijdrovende taak is. De eerder genoemde teleportatie, of in ieder geval het op deze snelle manier verzenden van informatie over lange afstanden, kan ook het begin zijn van het tijdperk van het nieuwe internet, dat we vandaag niet kennen. Misschien, zoals de makers van de “Devs” -serie het presenteren, zullen we op een dag in staat zijn om in kwantumcomputers een getrouwe weergave te maken van de hele realiteit waarin we leven. Of zitten we misschien al in zo’n simulatie? https://www.youtube.com/watch?v=Fp9LMsI6uJ8
