22 Meest interessante feiten over kwantumcomputers | Editie 2021

Het is niet de bedoeling dat kwantumcomputers uw e-mails controleren, de status bijwerken of normale software-/hardwaretaken uitvoeren. In plaats daarvan zijn ze gebaseerd op iets ingewikkelders:kwantummechanica.

Kwantumcomputers werken met deeltjes die veel kleiner zijn dan de grootte van atomen. Op zulke kleinere schaal hebben natuurkundige regels geen enkele zin. Dit is waar spannende dingen beginnen te gebeuren. Deeltjes kunnen heen en weer bewegen of zelfs gelijktijdig bestaan. Dit soort computers kan de rekenkracht vergroten tot meer dan haalbaar is met de conventionele computers van vandaag.

Laten we ingaan op wat we op dit moment weten over quantum computing. We hebben enkele van de interessante feiten over kwantumcomputers verzameld die u zullen verbazen.

1. Informatieopslagpatroon

De computers die we tegenwoordig gebruiken, slaan gegevens op in een binair formaat - een reeks nullen en 1′. Elk onderdeel van het geheugen wordt een bit genoemd en kan worden gemanipuleerd via stappen van Booleaanse logica.

Aan de andere kant zou een kwantumcomputer gegevens opslaan als een '0', '1' of een kwantumsuperpositie van de twee toestanden. Zo'n kwantumbit (ook wel Qubits genoemd) is veel flexibeler dan een binair systeem.

Qubits kunnen worden geïmplementeerd door deeltjes te gebruiken met twee spintoestanden - "omhoog" en "omlaag". Zo'n systeem kan worden toegewezen aan een effectief spin-1/2-systeem.

2. Razendsnelle snelheid

Aangezien gegevens in kwantumcomputers kunnen bestaan ​​in meer dan alleen nullen en enen, kunnen ze parallel berekeningen uitvoeren. Laten we een eenvoudig voorbeeld bekijken; als de qubit zich in een superpositie van toestand 0 en toestand 1 bevindt en het een berekening heeft uitgevoerd met een andere qubit in een vergelijkbare superpositie, zou het vier resultaten opleveren:0/1, 0/0, 1/0 en 1/1.

De kwantumcomputer zal het bovenstaande resultaat laten zien wanneer hij zich in een staat van decoherentie bevindt, die aanhoudt (terwijl hij zich in een superpositie van toestanden bevindt) totdat hij instort tot één toestand. Het vermogen om meerdere taken tegelijk uit te voeren, staat bekend als kwantumparallellisme.

3. Beveiliging opnieuw gedefinieerd

Ook op het gebied van encryptie en cryptografie is de snelheid van kwantumcomputers een groot punt van zorg. De financiële beveiligingssystemen van tegenwoordig zijn gebaseerd op factoring van grote getallen (RSA- of DSA-algoritmen) die letterlijk niet kunnen worden gekraakt door conventionele computers binnen de levensduur van de aarde. Een kwantumcomputer zou de getallen echter binnen een redelijke periode kunnen berekenen.

Aan de andere kant zullen kwantumcomputers onbreekbare beveiligingsfuncties kunnen bieden. Ze kunnen cruciale gegevens (zoals online transacties, e-mailaccounts) vergrendelen met veel betere versleutelingen.
Er zijn veel algoritmen ontwikkeld voor kwantumcomputers. De bekendste zijn het algoritme van Grover (voor het doorzoeken van een ongestructureerde database) en het algoritme van Shor (voor factoring van grote getallen).

Lezen:een nieuwe methode om de prestaties van quantumcomputers te verbeteren

4. Energiezuinig

Stroomverbruik is de kritische factor van elk apparaat dat op elektriciteit werkt. Een enorm scala aan processors heeft een flinke hoeveelheid stroomvoorziening nodig om hun prestaties te behouden. Zo verbruikt de snelste supercomputer ter wereld (Summit) 13 MW aan stroom.

Maar met kwantumcomputers wordt het pas echt interessant. Omdat ze kwantumtunneling gebruiken, verminderen ze het stroomverbruik met een factor 100 tot 1000.

5. De alternatieve werkelijkheden

Volgens de kwantumfysica hebben we te maken met iets dat Multiversum wordt genoemd, waar een probleem veel of oneindig veel waarschijnlijke oplossingen kan hebben. U leest dit artikel bijvoorbeeld op uw laptop. In een ander universum lees je dit misschien mobiel terwijl je op reis bent.

Een kwantumcomputer kan ‘n’ taken uitvoeren in ‘n’ parallelle universums en tot de uitkomst komen. Als een traditionele computer 'n' berekeningen doet in 'n' seconden, kan een kwantumcomputer 'n ^2′ uitvoeren berekeningen in dezelfde hoeveelheid tijd.

Lezen:25 grootste uitvindingen in de informatica

U herinnert zich misschien dat IBM's Deep Blue de eerste computer was die in 1997 een wereldkampioen schaken, Garry Kasparov, versloeg. De computer deed dit door 200 miljoen mogelijke zetten per seconde te onderzoeken. Verre van menselijk brein vermogen! Maar als het een kwantummachine was, zou het 1 biljoen bewegingen per seconde hebben berekend, 4 biljoen bewegingen in 2 seconden en 9 biljoen bewegingen in 3 seconden.

6. Waarom het moeilijk is om kwantumcomputers te bouwen

Het probleem met kwantumcomputers is stabiliteit. Het blijkt dat de interferentie (elke vorm van vibratie verstoort de vibratie van atomen) wartaal veroorzaakt. Elektronen in de kwantummechanica gedragen zich als golven en worden beschreven door een golffunctie. Deze golven kunnen interfereren, waardoor het vreemde gedrag van kwantumdeeltjes ontstaat, en dit wordt decoherentie genoemd.

7. Koele temperatuur

De temperatuur die nodig is om een ​​stabiele toestand te behouden voor betere prestaties, moet erg laag zijn. Om kwantumcomputers te laten werken, moeten atomen stabiel worden gehouden. En de enige bekende efficiënte manier om deze atomen stabiel te houden, is door de temperatuur te verlagen tot nul Kelvin, waar atomen stabiel worden zonder warmte vrij te geven.

Op dit moment is het D-Wave 2000Q-systeem de meest geavanceerde kwantumcomputer. De supergeleidende processor wordt afgekoeld tot 0,015 Kelvin (180 keer kouder dan de interstellaire ruimte).

8. Probleemoplossende vaardigheden

Quantumcomputers kunnen klassieke algoritmen uitvoeren; voor efficiënte resultaten gebruiken ze echter algoritmen die inherent kwantum lijken of sommige functies van kwantumberekening gebruiken, zoals kwantumverstrengeling of kwantumsuperpositie.

Onbeslisbare klassenproblemen blijven onbeslisbaar in quantum computing. Wat kwantumalgoritmen zo fascinerend maakt, is dat ze problemen sneller kunnen oplossen dan klassieke algoritmen. Ze kunnen bijvoorbeeld het handelsreizigersprobleem binnen enkele seconden oplossen, wat op conventionele computers 30 minuten duurt.

Bovendien kan een kwantumcomputer helpen verre planeten te ontdekken, het weer nauwkeurig te voorspellen, kanker eerder op te sporen en effectievere medicijnen te ontwikkelen door DNA-sequentiegegevens te analyseren.

Lezen:20 beste computerprogrammeurs aller tijden

9. A.I Game Changer

De kunstmatige intelligentie bevindt zich in de beginfase. De geavanceerde robot van vandaag kan een kamer binnenlopen, materialen, vormen en bewegende lichamen herkennen, maar heeft niet de factoren die ze echt intelligent maken. Quantumcomputers zijn veel beter op het gebied van informatieverwerking:met 300 bits zouden we het hele universum in kaart kunnen brengen.

Kwantummachines zouden de snelheid van machine learning-operaties exponentieel kunnen versnellen, waardoor de tijd van honderdduizenden jaren tot slechts seconden wordt teruggebracht.

Om de afstand tussen twee grote vectoren van 1 zettabyte te meten, zal een conventionele computer met een GHz-kloksnelheid honderdduizenden jaren nodig hebben. Terwijl een kwantumcomputer met een GHz-kloksnelheid (indien ooit gebouwd in de toekomst) slechts een seconde nodig heeft nadat vectoren verstrikt zijn geraakt in de aanvullende qubit.

10. Niet alles kan snel gemaakt worden

Hoewel kwantumcomputers de meest optimale manier vinden om een ​​probleem op te lossen, vertrouwen ze op enkele van de wiskundige basisprincipes die uw pc dagelijks gebruikt. Dit verwijst naar basisrekenkunde die al goed is geoptimaliseerd.

Er is geen betere manier om een ​​reeks getallen toe te voegen dan ze gewoon op te tellen. In dergelijke gevallen zijn klassieke computers net zo effectief als kwantumcomputers.

Lezen:50 tinten computerprogrammeerwetten

11. Laatste prestatie op Quantum Computing

Wetenschappers van de Universiteit van New South Wales ontwikkelden in 2015 een eerste logische kwantumpoort met silicium. In hetzelfde jaar onthulde NASA de eerste operationele kwantumcomputer gemaakt door D-Wave met een waarde van $ 15 miljoen.

In 2016 hebben onderzoekers van de Universiteit van Maryland met succes de eerste herprogrammeerbare kwantumcomputer gemaakt. Twee maanden later specificeerde de Universiteit van Basel een variant van de op elektronengat gebaseerde kwantummachine die elektronengaten gebruikt (in plaats van elektronenspins te manipuleren) in een halfgeleider bij lage temperaturen, die veel minder kwetsbaar zijn voor decoherentie.

In 2019 publiceerde Google AI, in samenwerking met NASA, een paper waarin ze beweerden dat ze quantum suprematie hebben bereikt - een doorbraak in de geschiedenis van quantum computing.

Lezen:Een nieuw kwantumdeeltje – 3D Skyrmion in een kwantumgas

12. Systemen kunnen worden gebruikt om kwantummachines te simuleren

Een van de belangrijkste toepassingen van quantum computing zijn quantumsimulators. Ze maken de analyse mogelijk van kwantumsystemen die onmogelijk te modelleren zijn met supercomputers en moeilijk te bestuderen zijn in het laboratorium.

Quantumsimulatoren zijn speciaal ontworpen om inzicht te geven in bepaalde natuurkundige problemen. Ze kunnen worden gebouwd met conventioneel programmeerbare 'digitale' kwantumcomputers, die een breed scala aan kwantumproblemen kunnen oplossen.

Tot nu toe zijn kwantumsimulators gerealiseerd in veel verschillende experimentele platforms, waaronder systemen van ingesloten ionen, polaire moleculen, ultrakoude kwantumgassen, kwantumstippen en supergeleidende circuits.

13. Programmeertaal voor kwantumcomputers

In 2020 ontwikkelden onderzoekers Sliq:een gemakkelijk te begrijpen programmeertaal op hoog niveau voor kwantumcomputers.

Bij kwantumberekeningen hebben ontwikkelaars meestal te maken met een aantal frustrerende dingen, zoals een laag abstractieniveau dat leidt tot onoverzichtelijke code, tijdelijke waarden die moeten worden weggegooid en nog veel meer.

Hoewel sommige kwantumtalen dit proberen te omzeilen, werken ze op een relatief ingewikkelde manier. Sliq daarentegen ondersteunt veilige, automatische decomputatie, wat een intuïtieve semantiek mogelijk maakt.

Enkele meer fascinerende feiten en ontdekkingen

14. Quantum computing werd voor het eerst genoemd door Richard Feynman in 1959 in zijn beroemde lezing 'Er is veel ruimte aan de onderkant'. Hij beschouwde de mogelijkheid om individuele atomen te manipuleren als een verbeterde vorm van synthetische chemie.

15. 's Werelds eerste distributieprotocol voor kwantumsleutels, BB84, werd in 1984 ontwikkeld door IBM-onderzoekers Gillies Brassard en Charles Bennett. Het is een techniek om veilig een privésleutel van het ene punt naar het andere te verzenden voor gebruik in eenmalige padcodering.

16. In februari 2018 kwamen natuurkundigen met een nieuwe vorm van licht, die drie-fotongebonden toestanden in een niet-lineair kwantummedium omvat, die de kwantumcomputerrevolutie zou kunnen aandrijven.

17. In maart 2018 heeft het Quantum Artificial Intelligence Lab - gerund door de Universities Space Research Association, NASA en Google - een 72-qubit-processor uitgebracht met de naam Bristlecone.

18. Een realistisch model van kwantumberekening draait op kwantumalgoritmen, die kunnen worden ingedeeld naar het type probleem dat ze oplossen of de techniek/ideeën die ze gebruiken. Momenteel hebben we algoritmen die zijn gebaseerd op amplitudeversterking, kwantum Fourier-transformatie en hybride kwantumalgoritmen.

19. Er worden verschillende kandidaten gezocht om een ​​kwantummachine fysiek te implementeren. Onder hen zijn de meest populaire –

• Supergeleidende kwantumcomputer met ingesloten ionen
• Spin-gebaseerde en ruimtelijke kwantumstip
• Op diamanten gebaseerde kwantumcomputer
• Kwantumelektrodynamica in holtes
• Moleculaire magneet

20. Gegevens die in een kwantumstatus zijn gecodeerd, kunnen niet worden gekopieerd. Als u deze gegevens probeert te lezen, wordt de kwantumstatus gewijzigd. De functie kan worden gebruikt om afluisteren in de distributie van kwantumsleutels te identificeren.

21. Tot nu toe hebben vijf bedrijven kwantumchips geproduceerd:Google (Bristlecone), IBM (IBM Experience en Q), Intel (Tangle Lake), Rigetti (19Q) en D-Wave (Ranier).

Lezen:5 kwantumprocessors met een nieuw computerparadigma

22. In 2020 vestigde een team van onderzoekers van de Universiteit van Californië, Los Angeles, een nieuw record voor het foutloos voorbereiden en meten van kwantumbits in een kwantumcomputer. Meer specifiek behaalden ze een voorbereidings- en meetfoutpercentage van 0,03%. Het zal van invloed zijn op bijna elk gebied van de kwantuminformatiewetenschap.