Wat is Quantum Computing?

Wat is quantum computing?

De wereldwijde race naar de quantumcomputer is in volle gang. Google, Microsoft, IBM, Baidu, Alibaba en Tencent zijn in gevecht om de eerste stabiele quantumcomputer te maken.

Google beweert inmiddels zelfs dat het ‘quantumsuprematie’ bereikt heeft met een quantumcomputer. Dit betekent dat het een probleem sneller kan oplossen dan een hedendaagse supercomputer. De krachtigste computer van dit moment. De processor van deze computer doet volgens Google 200 seconden over een berekening waar een hedendaagse supercomputer tienduizend jaar over zou doen. Concurrent IBM heeft echter kritiek op Google en zegt dat een supercomputer er niet tienduizend jaar over zou doen, maar er slechts 2,5 dag. Genoeg discussie dus over de actualiteit, maar blijft de vraag:

Wat is een Quantum Computer?

Quantumcomputers zijn intelligente en krachtige computers. Computers die informatie op een nieuwe manier verwerken en op deze wijze grote en belangrijke doorbraken kunnen forceren. Er wordt verwacht dat quantumcomputers deuren opent naar mogelijkheden die nu nog ondenkbaar zijn.

Met quantum computing kunnen we berekenen hoe het perfecte geneesmiddel op moleculair niveau gemaakt kan worden. Of door welke oorzaak veranderingen in het klimaat ontstaan. Maar ook hoe we mobiliteit-problemen oplossen of welk materiaal bij kamertemperatuur nog supergeleidend is. Dit heeft een enorme impact op onze energievoorziening. De ontwikkelingen van deze ‘supercomputer’ soort gaan erg snel. Waarom is er zoveel opwinding en is die wel terecht?

Wat zijn quantumcomputers?

De term quantumcomputer is in 1981 voor het eerst genoemd door de Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman. Het woord ‘quantum’ komt van de quantummechanica. Dat is de tak van natuurwetenschappen die zich bezighoudt met de studie naar het gedrag van atomaire en subatomaire deeltjes. Quantum komt van het Latijnse woord dat staat voor ‘hoeveelheid’. Quantumcomputers hebben de potentie om berekeningen veel sneller uit te voeren dan traditionele computers. En zelfs sneller dan de supercomputers die we vandaag de dag gebruiken. Een stabiele quantumcomputer kan bijvoorbeeld zorgen voor een ongekende groeispurt op het gebied van kunstmatige intelligentie.

Het verschil met klassieke computers

Klassieke computers maken gebruik van een geheugen dat informatie opslaat door middel van bits. Elke bit staat voor 0 of 1. Aan of uit, ja of nee. Een quantumcomputer maakt daarentegen gebruik van quantumbits (qubits, of qbits). Een qubit kan een 0, een 1 of een quantumsuperpositie innemen. Dit laatste houdt in dat het alle mogelijke waarden (0 én 1) kan aannemen. Wat dat precies inhoudt verduidelijk ik aan de hand van het volgende voorbeeld.

Quantum parallel processing

Een traditionele computer met twee bits kan informatie opslaan in vier mogelijke combinaties: 00, 01, 10 en 11. Een quantum computer kan al deze combinaties tegelijk aannemen. Een reeks van dertig nullen en enen maakt ongeveer een miljard verschillende combinaties mogelijk. Een klassieke computer kan slechts een van deze combinaties tegelijkertijd innemen, maar een quantumcomputer kan ze allemaal tegelijk innemen. Hierdoor kan het een miljard berekeningen maken in de tijd waarin een klassieke computer er één maakt. Een quantumcomputer is te vergelijken met een klassieke computer met een miljard processoren, maar dan in één stuk hardware. Het fenomeen dat een quantumcomputer meerdere berekeningen tegelijk kan maken, wordt ook wel quantum parallel processing genoemd.

Nog een voorbeeld: we kennen allemaal het spel Pac-man. Met een geel “happertje” genaamd Pac-Man moet je je een weg moet banen door een speelveld gevuld met bolletjes. Het doel is om alle bolletjes in het speelveld op te eten zonder door spookjes gepakt te worden. Zoals we het spel kennen lijkt het op bestaande computing. Je kunt slechts 1 Pacman aansturen en die kan links, rechts, naar beneden en omhoog. Met Quantum Computing (als metafoor, vergelijking) kun je alle routes tegelijkertijd berekenen én spelen. Dat creëert dus veel meer mogelijkheden. Dat gaat dus veel sneller.

Quantumverstrengeling

Een andere eigenschap van quantumcomputers is het fenomeen quantumverstrengeling. Dit houdt in dat twee deeltjes een bepaalde band met elkaar hebben, ongeacht de onderlinge afstand. Wanneer de staat van een van de deeltjes gemeten wordt, weet men direct de staat van het tweede. Ongeacht de afstand. Bijvoorbeeld: als deeltje één omhoog draait, dan weten we dat deeltje twee omlaag draait. Dankzij quantumsuperpositie en quantumverstrengeling is het voor een quantumcomputer mogelijk om een zeer groot aantal berekeningen tegelijkertijd uit te voeren.

Mogelijke toepassingen

Quantumcomputers bieden gigantisch veel rekenkracht. Maar wat zijn de toepassingen van deze brute kracht? Een voor de hand liggende toepassing van quantumcomputers is het verbeteren van encryptie. Encryptie wordt nu vaak toegepast door twee zeer grote priemgetallen met elkaar te vermenigvuldigen en de versleuteling op te hangen aan hun product. Het kost een gewone computer eeuwen om dit product te ontbinden in de twee oorspronkelijke priemgetallen. Een quantumcomputer kan hier eeuwen terugbrengen tot seconden. Er moeten andere methoden bedacht worden om gegevens op deze manier te versleutelen.

Aan de andere kant kunnen quantumcomputers ook toegepast worden om klassieke encryptie te kraken, als hackers hun handen op een quantumcomputer leggen. Ook zou de wetenschap een enorme boost krijgen door quantumcomputers. Veel experimenten hoeven niet meer echt uitgevoerd worden, maar gesimuleerd. Dit kan een hoop tijd en geld besparen. Denk bijvoorbeeld aan de deeltjesversneller in Genève: dit hele systeem zou mogelijk gesimuleerd kunnen worden. Of berekeningen omtrent klimaatvoorspellingen, ruimte-onderzoek of de mogelijkheden of beperkingen van genetische manipulatie in gewassen.

Een quantumcomputer kan ingezet worden om gigantische hoeveelheden data te doorzoeken en te analyseren. Dat kan bijvoorbeeld ook farmaceutisch onderzoek een flinke boost geven. Maar de enorme rekenkracht van een quantumcomputer kan ook de weg vrijmaken voor AGI, artificial general intelligence. Maar dit is speculatief.

De ontwikkeling van een quantumcomputer

Als we de tech-blogs moeten geloven, is elk jaar ‘het jaar dat quantumcomputers doorbreken’. Maar elk jaar komen ze weer tot de conclusie dat dit helaas nog niet het geval is. De ontwikkeling van quantumcomputers verloopt niet zonder slag of stoot. Qubits zijn namelijk erg instabiel en maken nog veel fouten. De informatie die ze bevatten, bestaan vaak maar een fractie van een seconde voordat de qubits uit elkaar vallen. Om zelfs deze korte tijd te kunnen bestaan is er voor het systeem een behoorlijk complexe omgeving vereist. Een temperatuur rond het absolute nulpunt en een vrijwel geluidloze ruimte – geen omgeving waar de gemiddelde computergebruiker zijn computer heeft staan. De uitdaging is om een omgeving te creëren waarin qubits stabiel blijven; daar wordt dan ook veel onderzoek naar gedaan. Tot die tijd kan je smartphone vaak nog betere berekeningen maken dan een quantum computer.

Door het grote potentieel van deze computers, wordt er wereldwijd veel geld en tijd gestoken in onderzoek naar quantumcomputers en het realiseren van prototypes. Zwaargewichten als Microsoft, Intel, Google en IBM en talloze onderzoeksgroepen en universiteiten (bijvoorbeeld de TU Delft, zie kader hieronder) zijn in een wapenwedloop verstrikt geraakt over wie de eerste stabiel functionerende quantumcomputer weet te realiseren. Hoe dit afloopt? Is het dan toch Google, of IBM? De tijd zal het leren. Maar dat er een serieuze toekomst is weggelegd voor deze technologie. Dat is zeker.

Nieuws: Tegenslag voor Nederlandse pionier van de quantumcomputer in ontwikkelproces van Majorana Qubits.
Bekende quantumwetenschapper Leo Kouwenhoven heeft met zijn team van de Universiteit in Delft een tegenslag te verwerken gekregen. Zij deden in 2018 onderzoek naar zogenaamde Majorana qubits in een quantum computer. Majorana qubits zijn stabieler en foutbestendiger dan de huidige qubits. Het onderzoek uit 2018 ging de hele wereld over. Na nieuwe analyse van de data in 2020 kwamen de onderzoekers echter onregelmatigheden tegen. Die onregelmatigheden hebben overigens geen effect op het wel of niet bestaan van Majorana qubits. Maar wel op de snelheid van het ontwikkelingstraject. De ontwikkeling van de quantum computer in het algemeen is overigens ook niet afhankelijk van dit Majorana deeltje. Er zijn meerdere wegen die naar een goeie quantum computer leiden. Wel is de gebeurtenis een grote domper voor het team uit Delft.

Een veelbelovende technologie dus: quantum computing. Een technologische trend om in de gaten te houden. Want als deze trend tot wasdom komt, krijgen we onwijs veel nieuwe mogelijkheden. Vergeet niet: een kwantumcomputer met 300 qubits zou in een oogwenk meer berekeningen kunnen uitvoeren dan er atomen in het zichtbare universum zijn. Dat is bizar veel. Ik hou het nieuws voor je in de gaten. Je kunt me natuurlijk ook als spreker boeken over het onderwerp quantum computing.