5 vragen over quantumcomputers

‘Doorbraak in het corrigeren van fouten in quantumberekeningen, brengt de quantumcomputer weer een stuk dichterbij.’ ‘Supercomputer van de toekomst.’ Waarom duikt de quantumcomputer telkens op in het nieuws? Wat is er zo bijzonder aan dat grote bedrijven als Intel en Microsoft investeren? Zullen deze supercomputers ons leven veranderen? Antwoord op vijf prangende vragen over quantumcomputers.

1. Wat is een quantumcomputer?

DWave_128chip
Een chip van quantumcomputerfabrikant D-Wave Systems

Een quantumcomputer maakt gebruik van quantummechanica om berekeningen veel sneller uit te kunnen voeren dan onze huidige computers. De bekende computers die in elk huis staan werken met ‘klassieke’ bits (kleine stukjes informatie). Deze kunnen twee waarden aannemen: 0 of 1. Grotere getallen worden geschreven door meer bits te combineren. Met twee bits maak je vier verschillende combinaties: 00, 01, 10 en 11, dit interpreteert je computer als: 0, 1, 2 en 3. Als we zo doorredeneren, vormen drie bits acht getallen (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7), vier bits zestien, enzovoort. Quantumcomputers gebruiken geen bits, maar qubits. Die kunnen niet alleen een 0 of een 1 zijn, maar ook alle combinaties daarvan (bijvoorbeeld voor 60 procent 0 en voor 40 procent  1). Omdat één qubit tegelijkertijd een 1 en een 0 kan zijn, is het mogelijk twee berekeningen tegelijkertijd (parallel) uit te voeren. Met twee qubit kun je vier berekeningen op hetzelfde moment doen en met drie qubit doe je er acht. Hierdoor zijn quantumcomputers ontzettend veel sneller dan de huidige computers. Hoeveel sneller, dat is afhankelijk van de hoeveelheid qubits in het systeem.

2. Hoe maak je een qubit?

Leestip: In het nieuwe boek Het quantumtijdperk leest u alles over hoe quantumfysica het leven van alledag verandert.
LEESTIP Het quantumtijdperk. Hoe het allerkleinste ons leven verandert, Brian Clegg, € 29,99 Bestel in onze webshop

In de natuur zijn verschillende systemen te vinden die zich volgens de wetten van de quantummechanica gedragen en geschikt zijn als qubit. Een voorbeeld is een elektron. Dit kleine geladen deeltje heeft een eigenschap die ‘spin’ genoemd wordt. Hierdoor kun je een elektron zien als een superklein magneetje dat een noord- en een zuidpool heeft. Als je hem in een magneetveld plaatst, zal hij zich richten naar dat veld (zoals een kompasnaald het veld van de aarde aangeeft). De spin van het elektron noem je dan ‘spin down’. Als je genoeg energie toevoegt, kan de spin omdraaien. Zoals zou gebeuren wanneer je de kompasnaald 180 graden draait. Als je dit nauwkeurig genoeg doet, zal de naald zo blijven staan. Deze toestand heet ‘spin up’. De ‘up’ en ‘down’ spintoestanden zijn te vergelijken met een 1 en een 0. Dankzij de quantummechanica is de spin van een elektron echter niet precies bepaald. Het is tegelijkertijd ‘up’ (1) en ‘down’ (0) en dus is het een qubit. Bij QuTech in Delft gebruiken ze daarom elektronen, maar er zijn ook nog andere manieren om qubits te maken. De energietoestand waar een atoom zich in bevindt blijkt ook quantuminformatie te bevatten en zelfs licht kan gebruikt worden als qubit.

3. Waarom is er nog geen quantumcomputer?

Begin jaren tachtig sprak de beroemde natuurkundige Richard Feynmann al over de mogelijkheid van quantumcomputers. Sindsdien proberen onderzoekers over de hele wereld (QuTech in Delft, QI/QC in Cambridge en IBM Research) in samenwerking met computergiganten zoals Intel en Microsoft de voorspelling werkelijkheid te maken. Er zijn inmiddels mini-quantumcomputers, maar die bestaan slechts uit enkele qubits en kunnen nog niet met gewone computers concurreren. Er is een aantal technische moeilijkheden die opgelost moeten worden voordat quantumcomputers efficiënter kunnen werken.

Werken met qubits is een delicaat proces. Quantumdeeltjes worden namelijk beïnvloed door metingen. Zodra je besluit te kijken naar je qubit is hij niet langer een 1 en een 0 tegelijkertijd, maar verandert hij definitief naar en 1 of een 0. Je bent dan op slag al je mooie quantumeigenschappen kwijt.

Wat is precies een ‘meting’? Volgens de natuurkundige definitie vindt een meting plaats zodra een quantumdeeltje in aanraking komt met een macroscopisch systeem. Dat kan een meetapparaat zijn, maar ook een quantumcomputer zelf. Het opschalen van quantumsystemen is daarom lastig. Er moet een manier gevonden worden om meerdere qubits aan elkaar te koppelen, zonder dat ze elkaar uit hun mooie quantumtoestand brengen.

Een ander probleem is het herstellen van fouten die gemaakt worden tijdens de berekening. Onlangs werd er in Delft een flinke stap voorwaarts gezet naar het overkomen van dit obstakel.

4. Waarvoor gaan we quantumcomputers gebruiken?

Quantumcomputers zullen waarschijnlijk je computer thuis niet vervangen. Niet alleen is de techniek de komende tijd erg duur, ook biedt de quantumtechnologie geen meerwaarde voor ‘gewone’ consumenten. Internet wordt niet sneller, (katten)filmpjes worden niet mooier en Word gaat niet beter werken. Het is niet uit te sluiten dat er toch toepassingen zijn voor alledaags gebruik; dertig jaar geleden leek het internet ook enkel van nut voor universiteiten onderling. Niemand kon het succes van Facebook en kattenfilmpjes voorspellen.

De kracht van quantumcomputers is dat ze berekeningen razend snel kunnen uitvoeren. De toepassingen beperken zich daarom tot berekeningen in de wetenschap die met normale computers duizenden jaren duren. Dit maakt ze geschikt voor het doorzoeken van grote databases en het bestuderen van complexe systemen zoals de werking van medicijnen in het lichaam, eigenschappen van moleculen en het weer.

Een voorbeeld is de RSA-codering voor onder andere bankoverschrijvingen die gebruik maakt van priemontbindingen. Het vinden van de priemontbinding van een getal van duizenden cijfers kost een normale computer miljoenen jaren, terwijl een quantumcomputer dit in enkele minuten kan oplossen. Gelukkig breken quantumcomputers niet alleen codes, ze zijn ook in staat berichten beter te versleutelen. Geldtransacties kunnen met behulp van quantummechanica veel veiliger verstuurd worden.

5. Wanneer hebben we een werkende quantumcomputer?

Mini-quantumcomputers met enkele qubits bestaan al. Deze systemen zijn echter alleen nuttig voor onderzoek naar qubits en niet bruikbaar voor serieuze berekeningen. Dankzij ontdekkingen en slimme trucs, zoals onlangs in Delft, komt een echte quantumcomputer steeds dichterbij. Wanneer ze ingezet kunnen worden voor het modelleren van complexe systemen en het kraken van codes is moeilijk te zeggen. De meeste gehoorde tijdschaal is tussen de vijf en vijftien jaar, maar sceptici zeggen dat de onderzoekers al tien jaar lang ‘nog vijftien jaar’ roepen. De hoeveelheid geld en tijd die universiteiten, Intel, IMB en Microsoft in onderzoek steken, versnelt het proces, maar het wachten blijft op geniale doorbraken en die zijn lastig te voorspellen.

Lees verder:

 

Over de auteur

Dorine Schenk

Dorine Schenk is freelance wetenschapsjournalist voor o.a. NRC en New Scientist. Ze studeerde (astro-)deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast houdt ze van hardlopen. Volg haar op Twitter via @dorineschenk.



1 Reactie

  • Willem Gravesande

    | Beantwoorden

    De programma’s welke draaien op een Quantum Computer zijn Randomized Algoritmes. Deze algoritmes maken gebruik van (true quantum) randomness om efficient de optimale oplossing van een probleem te vinden.

    Je kunt zo’n randomized algoritme op een Quantum Computer uitvoeren maar ook op een normale computer wanneer je gebruik maakt van (true quantum) randomness.

    Er zijn vele problemen waarvoor alleen een efficient randomized algoritme bekend is en geen efficient deterministisch algoritme.

    Er zijn ook vele mechanismen voor een randomized algoritme om de (optimale) oplossing te vinden, zoals stochastisch, evolutionair, fysiek, probabilistisch, neuraal, etc.

    Hieronder een voorbeeld.

    Op https://www.ndax.nl/drive/RA/fsa.c kun je een voorbeeld programma vinden voor een normale computer dat gebruik maakt van (true quantum) randomness. Het programma zoekt de optimale oplossing van een Traveling Salesman Problem met een quantum randomized simulated annealing mechanisme. Dit is een simulatie met een fysiek mechanisme (annealing). Het is in principe hetzelfde mechanisme als D-Wave gebruikt, alleen dit mechanisme (quantum randomized simulated annealing) is universeel. Een voorbeeld probleem kun je vinden op https://www.ndax.nl/drive/RA/bm1.txt Dit probleem wordt in ongeveer 1 minuut opgelost op een standaard computer. True Quantum Randomness kun je gratis downloaden van bijvoorbeeld https://qrng.physik.hu-berlin.de/

Plaats een reactie