Wat is Quantum Computing en hoe werkt het?

De Hadamard-poort is de basispoort in kwantumcomputing. De Hadamard-poort verplaatst de qubit van een niet-superpositietoestand van 0 of 1 naar een superpositietoestand. In een superpositietoestand is er een kans van 0,5 dat het wordt gemeten als 0. Er is ook een kans van 0,5 dat de qubit eindigt als 1.

Laten we eens kijken naar het effect van het toevoegen van de Hadamard-poort (weergegeven als een rode H) op q₀ waar q₀ bevindt zich momenteel in een niet-superpositietoestand van 0 (Figuur 2). Na het passeren van de Hadamard-poort laat de grafiek "Meetkansen" zien dat er een kans van 50% is om een ​​0 of 1 te krijgen wanneer q₀ wordt gemeten.

De grafiek "Statevector" toont de waarde van a en b, die beide vierkantswortels zijn van 0,5 =0,707. De kans dat de qubit wordt gemeten tot 0 en 1 is 0,707 ² =0,5, dus q₀ bevindt zich nu in een superpositiestatus.

Wat zijn metingen?

Wanneer we een qubit meten in een superpositietoestand, springt de qubit naar een niet-superpositietoestand. Een meting verandert de qubit en dwingt deze uit superpositie naar de toestand 0 of 1.

Als een qubit zich in een niet-superpositietoestand van 0 of 1 bevindt, verandert het meten ervan niets. In dat geval bevindt de qubit zich al in een staat van 100%, ofwel 0 of 1, gemeten.

Laten we een meetbewerking aan het circuit toevoegen (Figuur 3). We meten q₀ na de Hadamard-poort en voer de waarde van de meting uit naar bit 0 (een klassiek bit) in c1:

Om de resultaten van de q₀ . te zien meting na de Hadamard-poort, sturen we het circuit om te draaien op een echte kwantumcomputer genaamd "ibmq_armonk .” Standaard zijn er 1024 runs van het kwantumcircuit. Het resultaat (Figuur 4) laat zien dat ongeveer 47,4% van de tijd de q₀ meting is 0. De andere 52,6% van de keren wordt gemeten als 1:

De tweede run (Figuur 5) geeft een andere verdeling van 0 en 1, maar nog steeds dicht bij de verwachte 50/50-verdeling:

Verstrikking in Quantum Computing

Als twee qubits zich in een verstrengelingstoestand bevinden, "stort" de meting van de ene qubit onmiddellijk de waarde van de andere in. Hetzelfde effect gebeurt zelfs als de twee verstrengelde qubits ver uit elkaar liggen.

Laten we een voorbeeld bekijken. Een kwantumbewerking die twee ontwarde qubits in een verstrengelde toestand brengt, is de CNOT-poort. Om dit te demonstreren, voegen we eerst nog een qubit q₁ . toe , die standaard is geïnitialiseerd op 0. Vóór de CNOT-poort zijn de twee qubits ontward, dus q₀ heeft een kans van 0,5 om 0 of 1 te zijn vanwege de Hadamard-poort, terwijl q₁ wordt 0. De grafiek "Meetkansen" (Figuur 6) laat zien dat de kans op (q₁ , q₀ ) zijnde (0, 0) of (0, 1) is 50%:

Vervolgens voegen we de CNOT-poort toe (weergegeven als een blauwe stip en het plusteken) die de uitvoer van q₀ krijgt van de Hadamard-poort en q₁ als ingangen. De grafiek "Meetkansen" laat nu zien dat er 50% kans is op (q₁ , q₀ ) zijnde (0, 0) en 50% van zijn (1, 1) gemeten (Figuur 7):

Er is nul kans om (0, 1) of (1, 0) te krijgen. Zodra we de waarde van de ene qubit hebben bepaald, kennen we de waarde van de andere omdat de twee gelijk moeten zijn. In een dergelijke staat, q₀ en q₁ zijn verstrikt.

Laten we dit op een echte kwantumcomputer uitvoeren en kijken wat er gebeurt (Figuur 8):

We zijn dicht bij een 50/50-verdeling tussen de '00'- en '11'-statussen. We zien ook onverwachte gebeurtenissen van '01' en '10' vanwege de hoge foutenpercentages van de kwantumcomputer. Hoewel foutenpercentages voor klassieke computers bijna onbestaande zijn, vormen hoge foutenpercentages de grootste uitdaging van quantum computing.

Het Bell Circuit is slechts een startpunt

Het circuit dat wordt getoond in het gedeelte 'Verstrengeling' wordt het Bell Circuit genoemd. Hoewel het eenvoudig is, vertoont dat circuit een paar fundamentele concepten en eigenschappen van kwantumcomputing, namelijk qubits, superpositie, verstrengeling en metingen. Het Bell Circuit wordt vaak aangehaald als het Hello World-programma voor kwantumcomputers.

Inmiddels heeft u waarschijnlijk veel vragen, zoals:

• Hoe representeren we fysiek de superpositie van een qubit?
• Hoe meten we een qubit fysiek, en waarom zou dat een qubit in 0 of 1 forceren?
• Wat zijn de |0> en |1> precies in de formulering van qubit?
• Waarom een ² en b ² overeenkomen met de kans dat een qubit wordt gemeten als 0 en 1?
• Wat zijn de wiskundige representaties van de Hadamard- en CNOT-poorten? Waarom plaatsen poorten qubits in superpositie- en verstrengelingstoestanden?
• Kunnen we het fenomeen verstrengeling verklaren?

Er zijn geen snelkoppelingen naar het leren van kwantumcomputing. Het veld raakt aan complexe onderwerpen die natuurkunde, wiskunde en informatica overspannen.

Er is een overvloed aan goede boeken en video-tutorials die de technologie introduceren. Deze bronnen dekken doorgaans vereiste concepten zoals lineaire algebra, kwantummechanica en binaire informatica.

Naast boeken en tutorials kun je ook veel leren van codevoorbeelden. Oplossingen voor optimalisatie van financiële portefeuilles en voertuigroutering zijn bijvoorbeeld uitstekende startpunten om meer te weten te komen over kwantumcomputing.

De volgende stap in computerevolutie

Quantumcomputers hebben het potentieel om zelfs de meest geavanceerde supercomputers te overtreffen. Quantum computing kan leiden tot doorbraken in wetenschap, geneeskunde, machine learning, bouw, transport, financiën en hulpdiensten.

De belofte is duidelijk, maar de technologie is nog lang niet toepasbaar op real-life scenario's. Er komen echter elke dag nieuwe ontwikkelingen bij, dus verwacht dat kwantumcomputing de komende jaren voor aanzienlijke verstoringen zal zorgen.