12 beste toepassingen van Quantum Computing | Editie 2021

Wetenschappers over de hele wereld duwen kwantumcomputers vooruit, in een poging tot de krachtigste kwantumcomputertechnologie te komen. Technische giganten, waaronder Google en IBM, racen om de suprematie van kwantum.

Maar waarom? Quantummachines kunnen bepaalde problemen een miljard keer sneller oplossen dan klassieke computers. Naarmate de vraag naar krachtige processors blijft toenemen en taken groter en complexer worden, hebben we effectievere rekenarchitecturen nodig om oplossingen aan te drijven.

Dergelijke vooruitgang in computertechnologie zou miljoenen kansen creëren, in bijna elk aspect van het moderne leven. Volgens GlobeNewswire werd de wereldwijde markt voor kwantumcomputing in 2019 gewaardeerd op $ 507,1 miljoen. Er wordt verwacht dat deze in 2030 $ 65 miljard zal bereiken, met een CAGR van 56%. Noord-Amerika en Europa zullen naar verwachting meer dan 78% van de markt voor kwantumcomputers voor hun rekening nemen.

Het betekent niet dat kwantumsystemen de computers van vandaag zullen vervangen. In plaats daarvan zullen ze naast klassieke supercomputers werken omdat elk zijn unieke sterke punten en voordelen heeft.

In dit overzichtsartikel hebben we enkele van de belangrijkste toepassingen van quantum computing genoemd uit de enorme mogelijkheden. Het geeft je een beter idee van waar kwantumcomputers voor zijn ontworpen.

12. Weersvoorspelling

Quantumcomputers kunnen worden gebruikt om extreem complexe weerpatronen in kaart te brengen. In tegenstelling tot de huidige weersystemen, zal het in staat zijn om voorspellingen te doen voor kleinere, meer specifieke regio's, landbouwers te helpen zich beter voor te bereiden op weersveranderingen en luchtvaartmaatschappijen te helpen verstoringen tot een minimum te beperken.

IBM investeert fors in weersvoorspellingssystemen. Het heeft samengewerkt met The Weather Company, het National Center for Atmospheric Research en de University Corporation For Atmospheric Research in de Verenigde Staten om een ​​superieur model te bouwen dat onweersbuien op lokaal niveau kan inschatten.

In 2019 onthulde IBM, in samenwerking met The Weather Company, het Global High-Resolution Atmospheric Forecasting System (GRAF) dat IBM-supercomputers gebruikt om gegevens van miljoenen sensoren over de hele wereld te verwerken.

Wanneer kwantumcomputing mogelijk wordt, kunnen GRAF-achtige systemen elk uur miljarden gegevens analyseren en micro-metrologische gebeurtenissen voorspellen, zoals de vorming van individuele wolken of windwervelingen.

11. Cyberbeveiliging

Het zijn allemaal ruwe schattingen  

Quantumcomputers zullen in staat zijn om veel problemen op te lossen die voor de huidige machines bijna onmogelijk te achterhalen zijn. Dit omvat het kraken van encryptie-algoritmen die de internetinfrastructuur en gevoelige gegevens beschermen.

RSA-codering op basis van 2048-bits nummers wordt bijvoorbeeld veel gebruikt voor veilige gegevensoverdracht. Geschat wordt dat een kwantumcomputer met 20 miljoen qubits een dergelijke versleuteling binnen 8 uur zou kunnen doorbreken.

Natuurlijk kan de kracht van kwantumcomputing ook worden gebruikt om verregaand veilige encryptiesystemen te ontwikkelen. Veel bedrijven, waaronder Microsoft en Google, zijn al aan de slag gegaan met kwantumveilige encryptie-algoritmen. Ze bevinden zich momenteel in de theoretische en testfase. De grootste uitdaging is om deze nieuwe benaderingen te integreren in de bestaande infrastructuur.

Quantumveilige algoritmen zouden moeten versleutelen:

• Financierings- en banktransacties
• Militaire en overheidscommunicatie
• Bedrijfsnetwerken
• Medische dossiers en persoonlijke gegevens in de cloud

10. Batterijen van de volgende generatie

Lithium-ionbatterijen hebben een lange weg afgelegd:tien jaar geleden konden ze smartphones gewoon de dag doorkomen, nu kunnen ze elektrische voertuigen over honderden kilometers aandrijven.

Als we echter krachtigere, goedkopere batterijen willen maken die langer mee kunnen gaan dan bestaande, hebben we enkele doorbraken nodig. Onderzoekers van IBM en Daimler AG (moederbedrijf van Mercedes-Benz) testen hoe efficiënt kwantumcomputers het gedrag van chemische verbindingen in batterijen kunnen simuleren.

Ze waren in staat om dipoolmomenten van vier industrieel relevante moleculen (waterstofsulfide, lithiumhydride, lithiumsulfide en lithiumwaterstofsulfide) te simuleren met behulp van een kwantumcomputer van 21 qubit.

Naarmate we de qubit-statussen verhogen of verbeteren, kunnen we grotere en complexere verbindingen testen voor batterijen van de volgende generatie. Dit soort onderzoek is het fundamentele werk dat ons daar uiteindelijk zal brengen.

9. Zonne-opname

De quantum dot-zonnecel | Krediet:Universiteit van Queensland

Quantum dots (halfgeleiderdeeltjes op nanoschaal met unieke elektronische en optische eigenschappen dankzij de kwantummechanica) kunnen zonne-energie efficiënt omzetten in elektriciteit. Dit zal ons helpen de CO2-uitstoot aanzienlijk te verminderen en de bestaande technologieën voor energieopwekking te verbeteren.

Australische onderzoekers van de University of Queensland hebben al flexibele en afdrukbare kwantumdots ontwikkeld die een stroomconversie-efficiëntie van meer dan 16 procent opleveren.

Niet-toxische quantum dot-materialen zoals zilverbismutsulfide-nanokristallen zijn uitgebreid bestudeerd vanwege hun overvloed en veiligheid. Hoewel ze nog niet op grote schaal commercieel inzetbaar zijn, zijn sommige kleine bedrijven begonnen met het op de markt brengen van fotovoltaïsche kwantumdot-producten.

8. Schone meststoffen

Tegenwoordig wordt ammoniakmest geproduceerd via een chemisch proces genaamd Haber-Bosch. Het combineert atmosferische stikstof met waterstof onder hoge temperaturen en extreem hoge drukken. Het proces verbruikt enorme hoeveelheden energie en er komen veel broeikasgassen vrij.

Als onderzoekers het stikstofasemechanisme en het gedrag van overgangsmetalen in detail zouden kennen, zouden ze efficiëntere katalysatoren kunnen ontwikkelen voor de productie van meststoffen, evenals verschillende andere cruciale chemicaliën die nodig zijn in industrieën.

Het goede nieuws is dat kwantumcomputers op een dag de primaire cofactor van stikstofase (FeMo-cofactor) kunnen modelleren, waardoor inzicht wordt verkregen in de mechanismen ervan. Dit zou scheikundigen helpen bij het bouwen van energie-efficiënte industriële processen voor het synthetiseren van stikstofmeststoffen.

7. Materiaalontdekking

Afbeelding met dank aan Second Bay Studios/Harvard SEAS

Omdat kwantumcomputing gebaseerd is op kwantummechanische verschijnselen, zoals superpositie en verstrengeling, kan het andere kwantumsystemen veel gemakkelijker weergeven dan klassieke computers. Een kwantummachine kan bijvoorbeeld de vergelijking van Schrödinger oplossen voor een molecuul om de toegestane energietoestanden te berekenen.

Het biedt de mogelijkheid om complexe moleculen te simuleren die conventionele computers niet kunnen. Samen beloven de ontwikkelingen op het gebied van kwantumhardware en kwantumalgoritmen de theoretische chemie door elkaar te schudden.

Door de ruis in de qubits op een kwantummachine te verwerken, kunnen onderzoekers betere materialen ontwikkelen met fijn afgestemde optische en mechanische eigenschappen.

Gezien de recente vooruitgang in 'quantum noise-cancelling'-technieken, kunnen we zeggen dat de materialen van de volgende generatie op kwantumcomputers kunnen worden ontworpen in plaats van met vallen en opstaan ​​de juiste chemische eigenschappen uit te zoeken.

6. Verkeersoptimalisatie

Kwantumcomputers zullen veel uitdagingen oplossen die worden veroorzaakt door toenemende bevolkingsgroei en congestie te midden van de noodzaak van decarbonisatie. Een van die uitdagingen is verkeerscontrole.

Quantumtechnologie kan worden ingezet om files te vermijden en wachttijden te verkorten. Dit betekent dat bussen en taxi's geen lange afstanden hoeven af ​​te leggen zonder passagiers en dat mensen niet lang op hun taxi hoeven te wachten.

Volkswagen heeft het live gebruik van quantum computing al gedemonstreerd om het verkeer te optimaliseren. Het quantum-routeringsalgoritme draait op de D-Wave-kwantumcomputer en berekent de snelste reisroutes individueel in realtime.

Dergelijke algoritmen kunnen voortdurend interageren met bewegende objecten (fietsen, auto's en mensen) en het hele mobiliteitssysteem van een stad vergroten. Ze kunnen ook worden geïmplementeerd in luchtverkeersleiding voor geoptimaliseerde route-informatie.

Volkswagen is niet het enige bedrijf dat werkt aan ‘quantum traffic optimization’. Bijna alle autofabrikanten, waaronder BMW, Toyota en Ford, investeren in kwantumonderzoek.

5. Marketing en reclame

Quantum-algoritmen kunnen betere advertenties leveren door associatiepatronen te creëren die het koopgedrag beïnvloeden. In plaats van advertenties alleen te tonen op basis van de browsegeschiedenis van gebruikers, richten deze algoritmen zich op hoe gebruikers zich voelen na het zien van een advertentie en op wat voor soort advertenties merken kunnen helpen om langdurige relaties met hun klanten aan te gaan.

Als de advertentie bijvoorbeeld leuk is en kijkers aan het lachen maakt of een goed gevoel geeft, zal het een sterke public relations van het merk vormen. Aan de andere kant kunnen saaie of irritante advertenties contraproductief zijn.

D-Wave Systems Inc. (in samenwerking met Recruit Communication Ltd) heeft quantum computing al toegepast op reclame-, marketing- en communicatieoptimalisatie. Het doel is om de complexe gegevens in minder tijd te analyseren en de efficiëntie van het afstemmen van advertenties op klanten op het gebied van webadvertenties te optimaliseren.

D-Wave Systems legde ook uit hoe organisaties quantum-annealing kunnen gebruiken om doelgroepen te bereiken met relevante advertenties en de Click-Through Rate (CTR) te verhogen.

4. Financiële modellering

Moderne markten zijn een van de meest gecompliceerde systemen die er bestaan. In de tijd die u nodig heeft om deze zin te lezen, zullen hedgefondsen, investeringsbanken en particuliere beleggers over de hele wereld meer dan $ 80 miljoen in aandelen hebben verhandeld.

Voor institutionele beleggers is het vinden van de juiste mix voor vruchtbare investeringen, gebaseerd op verwachte rendementen en bijbehorende risico's, van groot belang om te overleven in de markt. Dit omvat het analyseren van duizenden factoren die de aandelenkoersen kunnen beïnvloeden. Veel investeringsbanken voeren 'Monte Carlo'-simulaties uit op klassieke computers voor gedetailleerde analyse, wat enorme computerbronnen en tijd kost.

Quantumcomputers zijn speciaal ontworpen voor dit soort probabilistische berekeningen. Door op de kwantumwagen te springen, kunnen investeringsbanken niet alleen de kwaliteit van oplossingen verbeteren, maar ook de tijd verkorten om ze te ontwikkelen. Aangezien deze bedrijven miljarden dollars verwerken, kan zelfs een kleine verbetering van het verwachte rendement veel voor hen waard zijn.

Uiteindelijk zullen kwantumcomputers financiële diensten helpen om: 

• Beleggingswinsten verhogen
• Verlaag kapitaalvereisten
• Verbeter de identificatie en het beheer van risico's en naleving
• Nieuwe investeringsmogelijkheden openen.

Lees: Hoeveel geld is er in de wereld?

3. Drugs ontdekken

De stroom van genetische informatie binnen een biologisch systeem

Momenteel kost het farmaceutische bedrijven miljarden dollars en meer dan tien jaar om een ​​nieuw medicijn te ontdekken en op de markt te brengen. Ze voeren honderden miljoenen vergelijkingen uit op klassieke computers. De verwerkingsmogelijkheden van deze machines zijn echter vrij beperkt:ze kunnen alleen moleculen tot een bepaalde grootte analyseren.

Denk aan het penicilline-medicijnontwerp, dat 41 atomen bevat:voor een grondige en nauwkeurige modellering van de basistoestandsenergie van het penicillinemolecuul zou een digitale machine nodig zijn met meer transistors dan er atomen in het waarneembare heelal zijn.

Het probleem kan worden opgelost met quantum computing. Naarmate kwantumhardware en -algoritmen gemakkelijker beschikbaar komen, wordt het mogelijk om veel grotere moleculen te vergelijken. Dit kan de tijd en kosten van medicijnontwikkeling drastisch verminderen, waardoor onderzoekers sneller nieuwe ontdekkingen kunnen doen die kunnen leiden tot genezing van verschillende ziekten.

In de life sciences-industrie wordt van kwantumcomputers verwacht dat ze drie belangrijke use-cases mogelijk maken die elkaar versterken in een vicieuze cirkel:

• Het ontwikkelen van precisiegeneeskundige therapieën door genomen en resultaten te associëren
• De efficiëntie van de ontdekking van geneesmiddelen met kleine moleculen verhogen en de resultaten voor de patiënt verbeteren
• Nieuwe biologische producten bouwen op basis van voorspellingen van eiwitvouwing

2. Kunstmatige intelligentie

De kwantummachine van Google 

Intelligentie gedemonstreerd door machines is gebaseerd op het principe van leren van ervaring. Hoe meer datasets je gebruikt om AI te trainen, hoe nauwkeuriger het zal zijn. Omdat de nauwkeurigheid/kracht van AI afhankelijk is van het analyseren van miljoenen of zelfs miljarden datapunten, is het een ideale kandidaat voor kwantumberekening.

Voor bepaalde modellen zal quantum machine learning veel efficiënter zijn dan klassieke machine learning. Het strekt zich uit tot een onderzoekstak die structurele en methodologische overeenkomsten onderzoekt tussen specifieke fysieke systemen en leersystemen, in het bijzonder neurale netwerken.

Er is gezegd dat kunstmatige intelligentie voor de 21e eeuw zal zijn wat elektriciteit was voor de 20e. We zijn al op het punt waar AI capabel genoeg is om nog een AI te creëren, dus het belang ervan zal snel escaleren.

Om de ontwikkeling te versnellen, heeft Google, in samenwerking met Volkswagen en de Universiteit van Waterloo, TensorFlow Quantum gelanceerd, een open-source bibliotheek voor het maken van prototypes van quantum machine learning-modellen. IBM, Microsoft en andere techreuzen steken ook geld in het leren van kwantummachines.

Lezen: Kunstmatige intelligentie versus machinaal leren versus diep leren

1. Deeltjesfysica

Proton-protonbotsing in de LHC die een Higgs-deeltje produceert | CERN

Misschien wel de meest opwindende en nuttige toepassing van kwantumcomputing is het bestuderen van nieuwe fysica. Modellen van deeltjesfysica zijn opmerkelijk complex en vereisen een groot aantal bronnen en lange rekentijd voor numerieke simulaties.

Experimenten op de Large Hadron Collider bij CERN produceren bijvoorbeeld een verbazingwekkende petabyte per seconde aan gegevens van een miljard deeltjesbotsingen per seconde. De analyse wordt uitgevoerd op een miljoen CPU-cores die in 170 datacenters over de hele wereld werken. Tegen 2027 zal de rekenkracht die nodig is om de gegevens van CERN te verwerken en analyseren met een factor 50-100 toenemen.

Dat is waar quantum computing van pas komt. Hiermee kunnen natuurkundigen kernfysica, de verstrooiing van de kernen, quarks en fundamentele interacties simuleren.

CERN is al aan de slag met IBM op quantumcomputers. Onderzoekers hebben de 'quantum support vector machine' gebruikt om te zien hoe gesuperviseerd quantum machine learning kan worden gebruikt om Higgs-bosongebeurtenissen in botsingsgegevens te identificeren.

Een ander team van onderzoekers heeft met succes roostermaattheorieën gesimuleerd in een kwantumcomputer, die de interactie tussen elementaire deeltjes, zoals quarks en gluonen, beschrijven.

Lezen:Wat is Quantum Supremacy? En waarom is het belangrijk?

Over het algemeen boekt kwantumcomputing vooruitgang op verschillende gebieden, variërend van veellichamenfysica tot moleculaire energie. Het zal de huidige technieken verstoren en onderzoekers in staat stellen problemen aan te pakken die ze voorheen nooit zouden hebben geprobeerd op te lossen.