Quantum computing voor de qubit nieuwsgierig

Wat is quantum computing? Gewone computers werken volgens strikte regels van logica. Maar kleine kwantumobjecten – zoals elektronen of fotonen van licht-kunnen die regels breken

kwantumcomputing is het idee dat we deze kwantumregelbreuk kunnen gebruiken om informatie op een nieuwe manier te verwerken—een manier die totaal anders is dan hoe gewone computers werken. Dit maakt ze, in sommige gevallen, exponentieel sneller dan elke gewone computer.

bijvoorbeeld, één quantumcomputer kan gemakkelijk de codes kraken die internetbankieren veilig houden.

dus, zoals een supercomputer?

niet precies. Een kwantumcomputer is niet alleen een “snellere” computer. Er zijn een paar specifieke taken – zoals het factoreren van zeer grote getallen – waar een kwantumcomputer geweldig in zou zijn. (Dit is waar de codebreaking komt in-zie hieronder. Maar voor de meeste banen zou een kwantumcomputer weinig beter zijn dan een gewone computer.

waarvoor kan een quantumcomputer worden gebruikt?

zij zullen waarschijnlijk het nuttigst zijn voor overheidsinstanties, onderzoeks-en ontwikkelingsbedrijven en universiteiten bij het oplossen van problemen waarmee de huidige computers worstelen.Het eerste praktische idee, voorgesteld door de natuurkundige Richard Feynman in 1981, was om een kwantumcomputer te gebruiken om de kwantummechanica te simuleren. Dit zou invloed hebben op chemie en biologie. De chemici, bijvoorbeeld, konden druginteracties nauwkeurig modelleren en de biologen konden alle mogelijke manieren bestuderen de proteã nen kunnen vouwen en met elkaar in wisselwerking staan.Terwijl quantumcomputers ooit een academische nieuwsgierigheid waren, groeide de interesse in 1994 toen de Amerikaanse wiskundige Peter Shor een manier vond om kwantumcomputers te gebruiken om codes te breken.

op dit moment werken veel online beveiligingssystemen volgens het principe dat het bijna onmogelijk is om een zeer groot aantal te nemen en erachter te komen wat de belangrijkste factoren zijn. Het enige wat een gewone computer kan doen is elke mogelijkheid na de andere proberen – een taak die miljarden jaren kan duren. Met Shor ‘ s algoritme kan een kwantumcomputer de taak binnen een paar uur uitvoeren.Quantumcomputers zouden ook fantastisch kunnen zijn in het herkennen van patronen in data – nuttig voor machine learning problemen, zoals het kunnen identificeren van verschillende objecten in een beeld. Ze kunnen goed zijn in het bouwen van modellen om de toekomst te voorspellen, zoals in de lange termijn weersvoorspelling.

maar uiteindelijk zijn de toepassingen van kwantumcomputing onvoorspelbaar. Bedenk dat in 1943, Thomas Watson, de president van IBM zei: “Ik denk dat er een wereldmarkt voor misschien vijf computers.”Nu zijn er vijf in elk huishouden.

als precedent een leidraad is, moeten we ons nog voorstellen wat het gebruik van quantumcomputers zal zijn.

Hoe werkt quantum computing?

gewone computers zijn gebaseerd op” bits ” – stel ze voor als kleine schakelaars die naar een 1 of een 0 wijzen.

kwantumcomputing is gebaseerd op kwantumbits, of “qubits”, die ook een 0 of een 1 kunnen vertegenwoordigen. Het gekke is dat qubits ook een gemengde toestand kunnen bereiken, een “superpositie” genaamd, waar ze zowel 1 als 0 op hetzelfde moment zijn. Deze dubbelzinnigheid – het vermogen om zowel “te zijn” als “niet te zijn” – is de sleutel tot de kracht van kwantum computing.

Hoe helpt superpositie?

het verschil tussen gewone computers en kwantumcomputers komt neer op de manier waarop zij een probleem benaderen.

een gewone computer probeert een probleem op te lossen op dezelfde manier als u zou kunnen proberen uit een doolhof te ontsnappen – door elke mogelijke gang te proberen, en terug te draaien op een doodlopende weg, totdat u uiteindelijk de uitweg vindt. Maar superpositie stelt de kwantumcomputer in staat om alle paden tegelijk te proberen – in essentie, het vinden van de kortere weg.

twee bits in uw computer kunnen zich in vier mogelijke toestanden bevinden (00, 01, 10 of 11), maar slechts één ervan op elk moment. Dit beperkt de computer tot het verwerken van een invoer per keer (zoals het proberen van een gang in het doolhof).

in een kwantumcomputer kunnen twee qubits ook exact dezelfde vier toestanden vertegenwoordigen (00, 01, 10, of 11). Het verschil is dat door superpositie de qubits alle vier tegelijk kunnen vertegenwoordigen. Dat is een beetje als vier gewone computers die naast elkaar draaien.

als u meer bits toevoegt aan een gewone computer, kan deze nog steeds slechts met één status tegelijk omgaan. Maar als je qubits toevoegt, groeit de kracht van je kwantumcomputer exponentieel. Voor de wiskundig geneigd, kunnen we zeggen dat als je “n” qubits hebt, je tegelijkertijd 2n toestanden kunt vertegenwoordigen.)

het is als die oude fabel over een oude Indiaan, genaamd Sessa, die het schaakspel uitvond. De koning was blij met het spel en vroeg Sessa om zijn beloning te noemen. Sessa vroeg nederig om één schaakbord met één graankorrel op het eerste vierkant, twee op het tweede, Vier op het derde en ga zo maar door. De koning was het er meteen mee eens, niet realiserend dat hij meer graan had weg beloofd dan er op aarde bestond. Dat is de kracht van exponentiële groei.

net zoals elk vierkant Sessa ‘ s tarwe verdubbelde, verdubbelde elke qubit de verwerkingskracht. Drie qubits geven je 23, dat is acht toestanden tegelijkertijd; vier qubits geven je 24, dat is 16. En 64 qubits? Ze geven je 264, dat is 18,446,744,073,709,600.000 mogelijkheden! Dat is ongeveer een miljoen terabyte waard.

terwijl 64 reguliere bits ook dit enorme aantal (264) Staten kunnen vertegenwoordigen, kan het slechts één per keer vertegenwoordigen. Om door al deze combinaties te fietsen, met twee miljard per seconde (wat een typische snelheid is voor een moderne PC), zou ongeveer 400 jaar duren.Dit alles betekent dat kwantumcomputers problemen kunnen aanpakken die voor klassieke computers “praktisch onmogelijk” zijn.

maar om die exponentiële snelheid te krijgen, moet het lot van alle qubits met elkaar verbonden worden in een proces dat kwantumverstrengeling wordt genoemd. Dit vreemde fenomeen, dat Einstein “spookachtige actie op afstand” noemde, kan kwantumdeeltjes verbinden, zelfs als ze zich aan tegenovergestelde uiteinden van het universum bevinden.

wat maakt een qubit?

om een qubit te maken, heb je een object nodig dat een staat van kwantum superpositie tussen twee toestanden kan bereiken.

een atoomkern is één soort qubit. De richting van zijn magnetische moment (het is “spin”) kan wijzen in verschillende richtingen, laten we zeggen omhoog of omlaag met betrekking tot een magnetisch veld.

de uitdaging is het plaatsen en vervolgens aanpakken van dat enkele atoom.Een Australisch team onder leiding van Michelle Simmons aan de Universiteit van New South Wales heeft atomaire qubits gemaakt door een enkel fosforatoom op een bekende positie in een siliciumkristal te plaatsen.

een ander idee is om een elektron van het atoom te strippen en er een ion van te maken. Dan kun je elektromagnetische velden gebruiken om het ion in de vrije ruimte op te schorten, waarbij je lasers afvuurt om de toestand te veranderen. Dit zorgt voor een” gevangen ion ” kwantumcomputer.

een stroom in een lus van supergeleidend metaal kan ook in een superpositie staan (tussen de klok in en tegen de klok in), een beetje als een loopband die zowel vooruit als achteruit loopt.

een foton van licht kan in superpositie zijn in de richting waarin het zwaait. Sommige groepen hebben kwantumcircuits samengesteld door fotonen rond een doolhof van optische vezels en spiegels te sturen.

Hoe maak je de superpositie aan?

hebt u ooit geprobeerd een munt precies op de rand te balanceren? Zo is het programmeren van een qubit. Het gaat om het doen van iets met een qubit, zodat, in zekere zin, het eindigt “evenwichtig” tussen staten.

in het geval van de atoomkern, kan dit zijn door het te zappen met een elektrisch of magnetisch veld, waardoor de kans op spinnen gelijk is.

dus hoe lees je informatie van de qubits?

er is een aura van het mystieke over wat er gebeurt tijdens een kwantumberekening. De meer uitweg natuurkundigen beschrijven de qubits als Bezig met een soort kwantumseance met parallelle werelden om het antwoord te goddelijk te maken.

maar het is geen magie, het is gewoon kwantummechanica.

stel dat u uw nieuwe 64-qubit quantumcomputer hebt geïnstalleerd voor de eerste berekening. Je plaatst alle 64 qubits in superpositie, net als 64 munten allemaal gebalanceerd op de rand. Samen houden ze 264 mogelijke Staten in limbo. Je weet dat één van deze staten het juiste antwoord is. Maar welke?

het probleem is dat het lezen van de qubits de superpositie doet instorten – alsof je met je vuist op tafel slaat met al die gebalanceerde munten.

hier komt een kwantumalgoritme zoals dat van Shor van pas. Het laadt de qubits om ze meer kans om te vallen op de juiste kant, en geeft ons het juiste antwoord.

zijn er al quantumcomputers gebouwd?

blijkbaar ja, hoewel geen van hen nog iets kan doen dat de conventionele computers overtreft.

de laatste drie jaar is er op het gebied van kwantumcomputing dramatische vooruitgang geboekt. Terwijl in 2016 Nature magazine was het vieren van een negen qubit computer ontwikkeld door Google onderzoekers. Achttien maanden later, in December 2017, meldde IBM hun 50 qubit quantumcomputer. Binnen vier maanden, Google had gestreept vooruit opnieuw, met hun 72-qubit ‘Bristlecone’ quantum computer. Ondertussen heeft IBM de eerste commercieel beschikbare quantumcomputer geproduceerd-die cloudtoegang biedt tot hun 20 qubit Q System One machine, voor een prijs.

D-Wave is nog steeds ver vooruit met het creëren van 2000 supergeleidende lussen als qubits, hoewel sommige natuurkundigen sceptisch zijn dat D-Wave een echte kwantumcomputer heeft gebouwd.

alle grote spelers hebben de volgende belangrijke mijlpaal in hun vizier: ‘quantum supremacy’. Dit betekent wanneer een kwantumcomputer een probleem oplost dat verder gaat dan de mogelijkheden van klassieke machines. Theoretisch zou dit mogelijk moeten zijn met een 50-qubit machine, maar alleen als de foutenpercentages laag genoeg zijn.

Waarom is het zo moeilijk om een quantumcomputer te bouwen?

er zijn uitdagingen op elk niveau, van het samenstellen van qubits, tot het lezen en schrijven van informatie over hen, tot het heen en weer schuiven van informatie zonder dat deze verdwijnt in een pufje van onzekerheid.

een qubit is de ultieme diva. Terwijl een Hollywood-sterretje een gigantische kleedkamer en een bad vol rozenblaadjes zou kunnen vragen, vereist een qubit perfecte isolatie en een thermostaat ingesteld op een honderdste van een graad boven het absolute nulpunt. De geringste trilling van een atoom in de buurt kan ervoor zorgen dat een qubit een kwantum driftbui krijgt en zijn superpositie verliest.

het belangrijkste probleem is hoe de delicate toestanden van superpositie en verstrengeling lang genoeg te handhaven om een berekening uit te voeren – de zogenaamde coherentietijd.Ondanks deze enorme uitdaging is de race om de eerste praktische kwantumcomputer te bouwen een van de grote wetenschappelijke uitdagingen van onze tijd geworden – waarbij duizenden natuurkundigen en ingenieurs betrokken waren bij tientallen onderzoeksinstituten verspreid over de hele wereld.