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

Met quantum computing zouden we kunnen uitrekenen hoe het perfecte geneesmiddel op moleculair niveau gemaakt kan worden, door welke oorzaak veranderingen in het klimaat ontstaan. Maar ook hoe problemen met mobiliteit kunnen worden opgelost of welk materiaal bij kamertemperatuur nog supergeleidend is, wat een enorme impact zou hebben 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, 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 kunnen uitvoeren 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, probeer ik te verduidelijken aan de hand van het volgende voorbeeld.

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 en kan hierdoor een miljard berekeningen maken in de tijd waarin een klassieke computer er één maakt. Hierdoor is een quantumcomputer 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.

Quantumverstrengeling
Een andere eigenschap van quantumcomputers die ze uniek maakt ten opzichte van klassieke computers, 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 zullen dus andere methoden bedacht moeten worden om gegevens op deze manier te versleutelen. Aan de andere kant kunnen quantumcomputers ook toegepast worden om klassieke encryptie te kraken indien hackers hun handen op een quantumcomputer weten te leggen. Ook zou de wetenschap een enorme boost krijgen door quantumcomputers. Zo hoeven veel experimenten niet meer echt uitgevoerd te worden, maar kunnen ze gesimuleerd worden. 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 tevens de weg vrijmaken voor AGI, artificial general intelligence.

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 dat deze computers bieden, 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) zijn in een wapenwedloop verstrikt geraakt over wie de eerste stabiel functionerende quantumcomputer weet te realiseren. Hoe dit afloopt? De tijd zal het leren. Maar dat er een serieuze toekomst is weggelegd voor deze technologie.. dat is zeker.

Mijn klanten