Wat is kwantumcomputers? Het volgende tijdperk van computationele evolutie uitgelegd

Wanneer u voor het eerst de term ‘kwantumcomputer’ tegenkomt, zou u deze kunnen laten doorgaan als een wijdverbreid sciencefictionconcept in plaats van als een serieus actueel nieuwsitem.

Maar nu deze term steeds vaker wordt gebruikt, is het begrijpelijk dat je je afvraagt ​​wat kwantumcomputers precies zijn, en net zo begrijpelijk dat je niet weet waar je in moet duiken. Hier volgt een overzicht van wat kwantumcomputers zijn, waarom er zoveel ophef over bestaat en wat ze voor u kunnen betekenen.

Wat is kwantumcomputers en hoe werkt het?

Al het computergebruik is afhankelijk van bits, de kleinste informatie-eenheid die is gecodeerd als een ‘aan’-status of een ‘uit’-status, beter bekend als een 1 of een 0, op een of ander fysiek medium.

Meestal neemt een bit de fysieke vorm aan van een elektrisch signaal dat over de circuits op het moederbord van de computer gaat. Door meerdere bits aan elkaar te rijgen, kunnen we complexere en nuttigere zaken weergeven, zoals tekst, muziek en meer.

De twee belangrijkste verschillen tussen kwantumbits en ‘klassieke’ bits (van de computers die we tegenwoordig gebruiken) zijn de fysieke vorm die de bits aannemen en, dienovereenkomstig, de aard van de gegevens die erin zijn gecodeerd. De elektrische bits van een klassieke computer kunnen slechts in één toestand tegelijk bestaan, 1 of 0.

Kwantumbits (of “qubits”) zijn gemaakt van subatomaire deeltjes, namelijk individuele fotonen of elektronen. Omdat deze subatomaire deeltjes meer voldoen aan de regels van de kwantummechanica dan aan de klassieke mechanica, vertonen ze de bizarre eigenschappen van kwantumdeeltjes. De meest opvallende van deze eigenschappen voor computerwetenschappers is superpositie. Dit is het idee dat een deeltje tegelijkertijd in meerdere toestanden kan bestaan, tenminste totdat die toestand wordt gemeten en ineenstort in één enkele toestand. Door gebruik te maken van deze superpositie-eigenschap kunnen computerwetenschappers dat doen zorg ervoor dat qubits tegelijkertijd een 1 en een 0 coderen.

De andere kwantummechanische eigenaardigheid die kwantumcomputers drijft, is verstrengeling, een koppeling van twee kwantumdeeltjes of, in dit geval, twee qubits. Wanneer de twee deeltjes verstrengeld zijn, zal de verandering in de toestand van één deeltje de toestand van zijn partner in a veranderen voorspelbare manier, wat handig is als het tijd is om een ​​kwantumcomputer het antwoord op het probleem te laten berekenen jij voedt het.

De qubits van een kwantumcomputer beginnen in hun 1-en-0-hybride toestand terwijl de computer in eerste instantie een probleem begint op te lossen. Wanneer de oplossing is gevonden, vallen de qubits in superpositie samen tot de juiste oriëntatie van stabiele 1s en 0s voor het retourneren van de oplossing.

Wat is het voordeel van kwantumcomputers?

Afgezien van het feit dat ze ver buiten het bereik van iedereen liggen, behalve de meest elitaire onderzoeksteams (en waarschijnlijk nog een tijdje zo zullen blijven), hebben de meesten van ons niet veel nut voor kwantumcomputers. Ze bieden geen echt voordeel ten opzichte van klassieke computers voor het soort taken dat we meestal doen.

Zelfs de meest formidabele klassieke supercomputers hebben echter moeite met het oplossen van bepaalde problemen vanwege hun inherente rekencomplexiteit. Dit komt omdat sommige berekeningen alleen met brute kracht kunnen worden uitgevoerd, waarbij wordt gegokt totdat het antwoord is gevonden. Ze komen uiteindelijk met zoveel mogelijke oplossingen uit dat het duizenden jaren zou duren voordat alle supercomputers ter wereld samen de juiste zouden vinden.

De superpositie-eigenschap van qubits kan supercomputers in staat stellen deze raadstijd drastisch te verkorten. De moeizame ‘trial-and-error’-berekeningen van het klassieke computergebruik kunnen slechts één keer raden. terwijl de dubbele 1-en-0-status van de qubits van een kwantumcomputer ervoor zorgt dat er meerdere gissingen tegelijk kunnen worden gedaan tijd.

Dus, voor welk soort problemen zijn al deze tijdrovende giswerkberekeningen nodig? Een voorbeeld is het simuleren van atomaire structuren, vooral wanneer ze chemisch interageren met die van andere atomen. Met een kwantumcomputer die de atomaire modellering aandrijft, zouden onderzoekers in de materiaalkunde nieuwe verbindingen kunnen creëren voor gebruik in engineering en productie. Kwantumcomputers zijn zeer geschikt voor het simuleren van vergelijkbare ingewikkelde systemen, zoals economische marktkrachten, astrofysische dynamiek of genetische mutatiepatronen in organismen, om er maar een paar te noemen.

Te midden van al deze over het algemeen onschuldige toepassingen van deze opkomende technologie zijn er echter ook enkele toepassingen van kwantumcomputers die aanleiding geven tot ernstige zorgen. Veruit de meest genoemde schade is het potentieel van kwantumcomputers enkele van de sterkste versleutelingsalgoritmen die momenteel in gebruik zijn, breken.

In de handen van een agressieve tegenstander van de buitenlandse overheid zouden kwantumcomputers een breed scala in gevaar kunnen brengen van anderszins veilig internetverkeer, waardoor gevoelige communicatie vatbaar wordt voor wijdverbreiding toezicht. Er wordt momenteel gewerkt aan het rijpen van encryptiecijfers op basis van berekeningen die nog steeds moeilijk zijn zelfs kwantumcomputers kunnen dat, maar ze zijn nog niet allemaal klaar voor prime-time, of worden momenteel niet algemeen aanvaard.

Is kwantumcomputers überhaupt mogelijk?

Iets meer dan tien jaar geleden bevond de daadwerkelijke fabricage van kwantumcomputers zich nog maar in de beginfase. Vanaf de jaren 2010 kwam de ontwikkeling van functionerende prototype-kwantumcomputers echter op gang. Een aantal bedrijven heeft sinds een paar jaar werkende kwantumcomputers in elkaar gezet, waarbij IBM zo ver gaat dat het onderzoekers en hobbyisten in staat stelt om draaien er hun eigen programma’s op via de cloud.

Ondanks de vooruitgang die bedrijven als IBM ongetwijfeld hebben geboekt om functionerende prototypes te bouwen, staan ​​kwantumcomputers nog in de kinderschoenen. Momenteel vereisen de kwantumcomputers die onderzoeksteams tot nu toe hebben gebouwd veel overhead voor het uitvoeren van foutcorrectie. Voor elke qubit die daadwerkelijk een berekening uitvoert, zijn er enkele tientallen wier taak het is om de fout van die persoon te compenseren. Het geheel van al deze qubits vormt wat een ‘logische qubit’ wordt genoemd.

Om een ​​lang verhaal kort te maken: titanen uit de industrie en de academische wereld hebben kwantumcomputers aan het werk gekregen, maar ze doen dat zeer inefficiënt.

Wie heeft een kwantumcomputer?

Er woedt nog steeds een hevige concurrentiestrijd tussen kwantumcomputeronderzoekers, zowel tussen grote als kleine spelers. Onder degenen die over werkende kwantumcomputers beschikken, bevinden zich de traditioneel dominante technologiebedrijven die je zou verwachten: IBM, Intel, Microsoft en Google.

Hoe veeleisend en kostbaar een onderneming ook is als het maken van een kwantumcomputer, er is een verrassend aantal kleinere bedrijven en zelfs startups die de uitdaging aangaan.

De relatief magere D-Wave Systems heeft tot veel vooruitgang op dit gebied geleid en bewees dat het niet buiten strijd was door de gedenkwaardige aankondiging van Google te beantwoorden met nieuws over een grote deal met Los Alamos National Labs. Toch zijn ook kleinere concurrenten zoals Rigetti Computing in de race zichzelf vestigen als vernieuwers van kwantumcomputing.

Afhankelijk van wie je het vraagt, krijg je een andere koploper voor de ‘krachtigste’ kwantumcomputer. Google heeft onlangs zeker zijn pleidooi gehouden met zijn het bereiken van kwantumsuprematie, een statistiek die Google zelf min of meer heeft bedacht. Kwantumsuprematie is het punt waarop een kwantumcomputer voor het eerst in staat is om bij bepaalde berekeningen beter te presteren dan een klassieke computer. Het Sycamore-prototype van Google uitgerust met 54 qubits kon die barrière doorbreken door een probleem net onder te doorbreken drie en een halve minuut, wat de machtigste klassieke supercomputer 10.000 jaar zou kosten om te karnen door.

Om niet achter te blijven, beweert D-Wave dat de apparaten die het binnenkort aan Los Alamos zal leveren 5000 qubits per stuk wegen, hoewel moet worden opgemerkt dat de kwaliteit van de qubits van D-Wave is al eerder in twijfel getrokken. IBM heeft de afgelopen jaren niet hetzelfde succes geboekt als Google en D-Wave, maar ze moeten ook nog niet worden meegeteld, vooral gezien hun track record van langzame en gestage prestaties.

Simpel gezegd: de race om de krachtigste kwantumcomputer ter wereld is net zo wijd open als ooit tevoren.

Zal quantum computing het traditionele computergebruik vervangen?

Het korte antwoord hierop is ‘niet echt’, althans voor de nabije toekomst. Kwantumcomputers vereisen een enorme hoeveelheid apparatuur en nauwkeurig afgestemde omgevingen om te kunnen functioneren. De toonaangevende architectuur vereist koeling tot slechts een graad boven het absolute nulpunt, wat betekent dat ze voor gewone consumenten lang niet praktisch zijn om ooit te bezitten.

Maar zoals de explosie van cloud computing heeft bewezen, hoeft u geen gespecialiseerde computer te bezitten om de mogelijkheden ervan te benutten. Zoals hierboven vermeld, biedt IBM gedurfde technofielen nu al de kans om programma's uit te voeren op een kleine subset van IBM Q System One's qubits. Na verloop van tijd zullen IBM en zijn concurrenten waarschijnlijk rekentijd op robuustere kwantumcomputers verkopen aan degenen die geïnteresseerd zijn deze toe te passen op anderszins ondoorgrondelijke problemen.

Maar als je geen onderzoek doet naar de uitzonderlijk lastige problemen die kwantumcomputers willen oplossen, zul je er waarschijnlijk niet veel mee omgaan. In sommige gevallen zijn kwantumcomputers zelfs slechter in het soort taken waarvoor we computers dagelijks gebruiken, puur en alleen omdat kwantumcomputers zo hypergespecialiseerd zijn. Tenzij je een academicus bent die het soort modellering uitvoert waarin quantum computing floreert, zul je er waarschijnlijk nooit een in handen krijgen, en dat is ook nooit nodig.

Aanbevelingen van de redactie

• Wat is GDDR7? Alles wat u moet weten over de volgende generatie VRAM
• Intel denkt dat je volgende CPU een AI-processor nodig heeft – en dit is waarom
• Surface Pro 10: dit is wat je van de volgende generatie kunt verwachten
• ChatGPT heeft zichzelf zojuist op internet aangesloten. Wat gebeurt er nu?
• Is Apple's Mac Mini M2 goed? Dit is wat beoordelingen zeggen