Reeks doorbraken in quantum computing
Een gewone computer, die tegenwoordig een klassieke of traditionele computer wordt genoemd, werkt op basis van het concept van nullen en enen. Wanneer we de computer vragen een taak voor ons uit te voeren, bijvoorbeeld een wiskundige berekening, het boeken van een afspraak of iets anders dat met het dagelijks leven te maken heeft, wordt deze taak op dat moment omgezet (of vertaald) in een reeks nullen en enen (de zogenaamde invoer). Deze invoer wordt verwerkt door een algoritme (gedefinieerd als een reeks regels die moeten worden gevolgd om een taak op een computer te voltooien). Na deze verwerking wordt een nieuwe reeks nullen en enen teruggestuurd (de zogenaamde uitvoer). Deze codering geeft het verwachte resultaat weer en wordt terugvertaald naar eenvoudigere, gebruiksvriendelijke informatie als een "antwoord" op wat de gebruiker van de computer wilde. Het is fascinerend dat, hoe slim of geavanceerd een algoritme ook lijkt en hoe moeilijk de taak ook is, een computeralgoritme uiteindelijk maar één ding doet: een reeks bits manipuleren, waarbij elke bit 0 of 1 is. De manipulatie vindt plaats op de computer (in de software) en op machineniveau wordt dit weergegeven door elektrische circuits (op het moederbord). In hardwaretermen betekent dit dat een circuit gesloten is wanneer er stroom doorheen loopt en open wanneer er geen stroom doorheen loopt.
Klassieke versus kwantumcomputer
In klassieke computers is een bit een enkel stukje informatie dat in twee mogelijke toestanden kan bestaan: 0 of 1. Kwantumcomputers daarentegen gebruiken meestal kwantumbits (ook wel 'qubits' genoemd). Dit zijn kwantumsystemen met twee toestanden, maar in tegenstelling tot een gewone bit (opgeslagen als 0 of 1), kunnen qubits veel meer informatie opslaan en elke mogelijke combinatie van deze waarden aannemen. Om dit beter uit te leggen, kan een qubit worden gezien als een denkbeeldige bol, waarbij de qubit elk punt op de bol kan zijn. Kwantumcomputing maakt gebruik van het vermogen van subatomaire deeltjes om op elk gegeven moment in meer dan één toestand te bestaan die elkaar uitsluit. Een klassieke bit kan daarentegen slechts in twee toestanden bestaan – bijvoorbeeld aan de uiteinden van de twee polen van de bol. In het dagelijks leven kunnen we deze 'superpositie' niet waarnemen, omdat deze superposities verdwijnen zodra een systeem in zijn geheel wordt bekeken. Dit is de reden waarom het begrip van dergelijke superposities onduidelijk is.
Voor computers betekent dit dat kwantumcomputers met qubits een enorme hoeveelheid informatie kunnen opslaan met minder energie dan een klassieke computer. Hierdoor kunnen bewerkingen en berekeningen relatief veel sneller worden uitgevoerd op een kwantumcomputer. Een klassieke computer kan een 0 of een 1 aannemen; twee bits in deze computer kunnen zich in vier mogelijke toestanden bevinden (00, 01, 10 of 11), maar slechts één toestand wordt op een gegeven moment weergegeven. Een kwantumcomputer daarentegen werkt met deeltjes die in superpositie kunnen verkeren. Hierdoor kunnen twee qubits exact dezelfde vier toestanden tegelijkertijd weergeven, dankzij de eigenschap van superpositie die de computers bevrijdt van de 'binaire beperking'. Dit is vergelijkbaar met vier computers die tegelijkertijd draaien, en als we deze qubits toevoegen, neemt de rekenkracht van de kwantumcomputer exponentieel toe. Kwantumcomputers maken ook gebruik van een andere eigenschap van de kwantumfysica, namelijk 'kwantumverstrengeling', gedefinieerd door Albert Einstein. Verstrengeling is een eigenschap die ervoor zorgt dat kwantumdeeltjes met elkaar kunnen verbinden en communiceren, ongeacht hun locatie in het universum , zodat een verandering in de toestand van het ene deeltje onmiddellijk invloed kan hebben op het andere. De gecombineerde mogelijkheden van 'superpositie' en 'verstrengeling' zijn in principe zeer krachtig. Wat een kwantumcomputer kan bereiken is dan ook onvoorstelbaar in vergelijking met klassieke computers. Dit klinkt allemaal erg spannend en eenvoudig, maar er is een probleem. Als een kwantumcomputer qubits (gesuperponeerde bits) als input ontvangt, zal de output zich ook in een kwantumtoestand bevinden, oftewel een output met gesuperponeerde bits die voortdurend kunnen veranderen afhankelijk van hun huidige toestand. Dit soort output stelt ons niet in staat om alle informatie te verkrijgen, en daarom is de grootste uitdaging in de kwantumcomputerwetenschap het vinden van manieren om zoveel mogelijk informatie uit deze kwantumoutput te halen.
Quantumcomputer zal hier zijn!
Kwantumcomputers kunnen worden gedefinieerd als krachtige machines, gebaseerd op de principes van de kwantummechanica, die een volledig nieuwe benadering hanteren voor de verwerking van informatie. Ze proberen complexe natuurwetten te onderzoeken die altijd al hebben bestaan, maar meestal verborgen zijn gebleven. Als dergelijke natuurverschijnselen kunnen worden onderzocht, kan kwantumcomputing nieuwe soorten algoritmen uitvoeren om informatie te verwerken, wat kan leiden tot baanbrekende ontdekkingen in materiaalkunde, geneesmiddelenonderzoek, robotica en kunstmatige intelligentie. Het idee van een kwantumcomputer werd al in 1982 geopperd door de Amerikaanse theoretisch natuurkundige Richard Feynman. Tegenwoordig werken technologiebedrijven (zoals IBM, Microsoft, Google en Intel) en academische instellingen (zoals MIT en Princeton University) aan prototypes van kwantumcomputers om een gangbare kwantumcomputer te ontwikkelen. International Business Machines Corp. (IBM) heeft onlangs aangegeven dat haar wetenschappers een krachtig kwantumcomputerplatform hebben gebouwd dat beschikbaar is, maar merkte op dat het nog niet voldoende is voor de meeste taken. Men zegt dat een prototype met 50 qubits, dat momenteel in ontwikkeling is, veel problemen kan oplossen die klassieke computers nu ook al doen. In de toekomst zouden computers met 50 tot 100 qubits het gat grotendeels dichten, oftewel een kwantumcomputer met slechts een paar honderd qubits zou meer berekeningen tegelijk kunnen uitvoeren dan er atomen in het bekende universum zijn . Realistisch gezien is de weg naar een situatie waarin een kwantumcomputer een klassieke computer daadwerkelijk kan overtreffen bij moeilijke taken, bezaaid met moeilijkheden en uitdagingen. Intel heeft onlangs verklaard dat de nieuwe kwantumcomputer met 49 qubits een stap is richting deze "kwantumsuperioriteit", een belangrijke vooruitgang voor het bedrijf dat slechts twee maanden geleden een systeem met 17 qubits had gedemonstreerd. Hun prioriteit is om het project verder uit te breiden, vanuit de overtuiging dat een groter aantal qubits de sleutel is tot het creëren van kwantumcomputers die resultaten in de praktijk kunnen leveren.
Materiaal is de sleutel voor het bouwen van een kwantumcomputer
Silicium is al decennialang een essentieel onderdeel van de computertechnologie, omdat de belangrijkste eigenschappen het zeer geschikt maken voor algemene (of klassieke) computerberekeningen. Wat kwantumcomputing betreft, zijn op silicium gebaseerde oplossingen echter nog niet wijdverspreid, voornamelijk om twee redenen: ten eerste is het moeilijk om qubits die op silicium zijn geproduceerd te controleren, en ten tweede is het nog onduidelijk of siliciumqubits net zo goed schaalbaar zijn als andere oplossingen. Intel heeft onlangs een belangrijke doorbraak bereikt met de ontwikkeling van een nieuw type qubit, de zogenaamde 'spinqubit', die op conventioneel silicium wordt geproduceerd. Spinqubits lijken sterk op halfgeleiderelektronica en leveren hun kwantumvermogen door gebruik te maken van de spin van een enkel elektron op een siliciumapparaat en de beweging ervan te controleren met minuscule microgolfpulsen. Twee belangrijke voordelen die Intel ertoe bewogen deze richting in te slaan, zijn: ten eerste is Intel als bedrijf al zwaar geïnvesteerd in de siliciumindustrie en beschikt het dus over de juiste expertise op dit gebied. Ten tweede zijn siliciumqubits voordeliger omdat ze kleiner zijn dan conventionele qubits en naar verwachting langer coherent blijven. Dit is van het grootste belang wanneer kwantumcomputersystemen moeten worden opgeschaald (bijvoorbeeld van 100 naar 200 qubits). Intel test dit prototype en het bedrijf verwacht chips te produceren met duizenden kleine qubit-arrays. Dergelijke massaproductie kan zeer gunstig zijn voor het opschalen van kwantumcomputers en een echte doorbraak betekenen.
In een recent onderzoek, gepubliceerd in Science , heeft een team van de Universiteit van Maryland in de VS een nieuw patroon voor fotonische kristallen (oftewel een kristalontwerp geïmplementeerd op een fotonische chip) ontwikkeld. Zij beweren dat dit patroon kwantumcomputers toegankelijker zal maken² . Fotonen zijn de kleinste bekende lichtdeeltjes en deze kristallen zijn voorzien van gaten die ervoor zorgen dat het licht ermee interacteert. Verschillende gatenpatronen veranderen de manier waarop het licht buigt en weerkaatst door het kristal; in dit geval zijn duizenden driehoekige gaten aangebracht. Het gebruik van individuele fotonen is belangrijk voor de ontwikkeling van kwantumcomputers, omdat deze computers dan in staat zullen zijn om grote getallen en chemische reacties te berekenen die huidige computers niet aankunnen. Het ontwerp van de chip maakt het mogelijk om fotonen zonder verlies tussen kwantumcomputers over te dragen. Verlies werd ook gezien als een grote uitdaging voor kwantumcomputers, en deze chip lost dit probleem op en maakt een efficiënte overdracht van kwantuminformatie van het ene systeem naar het andere mogelijk.
toekomst
Quantumcomputers beloven berekeningen uit te voeren die veel verder gaan dan welke conventionele supercomputer dan ook. Ze hebben de potentie om een revolutie teweeg te brengen in de ontdekking van nieuwe materialen door het mogelijk te maken het gedrag van materie tot op atomair niveau te simuleren. Het bouwt ook hoop op voor kunstmatige intelligentie en robotica door gegevens sneller en efficiënter te verwerken. Het leveren van een commercieel levensvatbaar kwantumcomputersysteem zou in de komende jaren door een van de grote organisaties kunnen worden gedaan, aangezien dit onderzoek nog steeds een open einde heeft en een eerlijk spel voor iedereen. In de komende vijf tot zeven jaar worden belangrijke aankondigingen verwacht en idealiter gezien de reeks vorderingen die worden gemaakt, zouden technische problemen moeten worden aangepakt en zou een kwantumcomputer van 1 miljoen of meer qubits een realiteit moeten zijn.
***
Bron (nen)
1. Castelvecchi D. 2018. Silicium wint terrein in de kwantumcomputerrace. Nature. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. Een topologische kwantumoptische interface. Science. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
***
