Quantumcomputing uitgelegd: Hoe het werkt en waarom het belangrijk is

Technologiereuzen zoals Google, IBM, Amazon en Microsoft investeren massaal in quantumcomputing. Het doel is de volgende generatie computers te creëren en de limieten van klassieke computing te overwinnen.

Ondanks de vooruitgang zijn er nog steeds onbekende gebieden in dit opkomende veld.

Dit artikel is een introductie tot de basisconcepten van quantumcomputing. Je leert wat quantumcomputing is en hoe het werkt, evenals wat een quantumapparaat onderscheidt van een standaardmachine.

Wat is Quantumcomputing? Definitie

Quantumcomputing is een nieuwe generatie computers gebaseerd op quantummechanica, een fysicatak die atomaire en subatomaire deeltjes bestudeert. Deze supercomputers voeren berekeningen uit op snelheden en niveaus die een gewone computer niet aan kan.

Dit zijn de belangrijkste verschillen tussen een quantumapparaat en een gewone desktop:

• Andere architectuur: Quantumcomputers hebben een andere architectuur dan conventionele apparaten. In plaats van traditionele silicium-gebaseerde geheugens of processoren, worden verschillende technologieplatformen gebruikt, zoals supergeleidende circuits en opgeslagen atomaire ionen.
• Computationele zware use cases: Een gewone gebruiker heeft waarschijnlijk weinig aan een quantumcomputer. De computationele zware focus en complexiteit maken ze in de nabije toekomst geschikt voor bedrijfs- en wetenschappelijke omgevingen.

In tegenstelling tot een standaardcomputer kan een quantumcomputer meerdere operaties simultaan uitvoeren. Deze machines slaan ook meer toestanden per data-eenheid op en werken met efficiëntere algoritmes.

De ongelooflijke verwerkingskracht maakt quantumcomputers in staat om complexe taken op te lossen en door ongesorteerde data te zoeken.

Waarvoor wordt Quantumcomputing gebruikt? Industrie-use-cases

De adoptie van krachtigere computers komt elke industrie ten goede. Echter, sommige gebieden staan al uit als uitstekende kansen voor quantumcomputers:

• Gezondheidszorg: Quantumcomputers helpen nieuwe geneesmiddelen sneller te ontwikkelen. DNA-onderzoek profiteert ook enorm van quantumcomputing.
• Cyberbeveiliging: Quantumprogrammering kan data-encryptie verbeteren. Het nieuwe Quantum Key Distribution (QKD)-systeem gebruikt bijvoorbeeld lichtsignalen om cyberaanvallen of netwerkintruders te detecteren.
• Financiën: Bedrijven kunnen hun beleggingsportfeuljes optimaliseren met quantumcomputers. Verbeteringen in fraudedetectie- en simulatiesystemen zijn ook waarschijnlijk.
• Transport: Quantumcomputers kunnen leiden tot vooruitgang in verkeersplanningssystemen en route-optimalisatie.

Wat zijn Qubits?

De sleutel tot de kracht van een quantumcomputer is de mogelijkheid om quantumbits, of qubits, te creëren en te manipuleren.

Hier is de toestand van een qubit q₀:

q0 = a|0> + b|1>, waar a2 + b2 = 1

De waarschijnlijkheid dat q₀ 0 is bij meting is a². De kans dat het 1 is bij meting is b². Vanwege de probabilistische aard kan een qubit tegelijkertijd 0 en 1 zijn.

Voor een qubit q₀ waar a = 1 en b = 0, is q₀ equivalent aan een klassiek bit van 0. Er is een 100% kans op een waarde van 0 bij meting. Als a = 0 en b = 1, is q₀ equivalent aan een klassiek bit van 1. De klassieke binaire bits 0 en 1 zijn dus een subset van qubits.

Bekijk nu een lege circuit in de IBM Circuit Composer met een enkele qubit q₀ (Afbeelding 1). De grafiek "Meetkansen" toont dat q₀ 100% kans heeft om als 0 gemeten te worden. De "Statevector"-grafiek toont de waarden van a en b, die overeenkomen met de kolom "computational basis states" 0 en 1 respectievelijk.

In het geval van Afbeelding 1 is a gelijk aan 1 en b aan 0. Dus q₀ heeft een kans van 1² = 1 om als 0 gemeten te worden.

superpositie en verstrengeling.

Superpositie in Quantumcomputing

Wanneer 0 < a en b < 1, bevindt de qubit zich in een zogenaamde superpositiestoestand. In deze toestand is het mogelijk om naar 0 of 1 te springen bij meting. De kans op 0 of 1 wordt gedefinieerd door a² en b².

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

Bekijk het effect van het toevoegen van de Hadamard-poort (getoond als een rode H) op q₀ waar q₀ momenteel in een niet-superpositiestoestand van 0 is (Afbeelding 2). Na het passeren van de Hadamard-poort toont de grafiek "Meetkansen" dat er een 50% kans is om een 0 of 1 te krijgen wanneer q₀ gemeten wordt.

De "Statevector"-grafiek toont de waarden van a en b, die beide vierkantswortels zijn van 0,5 = 0,707. De kans voor de qubit om als 0 en 1 gemeten te worden is 0,707² = 0,5, dus q₀ is nu in een superpositiestoestand.

Wat zijn Metingen?

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

Als een qubit in een niet-superpositiestoestand van 0 of 1 is, verandert meten er niets. In dat geval is de qubit al in een toestand van 100% 0 of 1 bij meting.

Voeg een meetoperatie toe aan de circuit (Afbeelding 3). We meten q₀ na de Hadamard-poort en geven de meetwaarde uit aan bit 0 (een klassiek bit) in c1:

Om de resultaten van de q₀-meting na de Hadamard-poort te zien, sturen we de circuit naar een echte quantumcomputer genaamd "ibmq_armonk". Standaard zijn er 1024 runs van de quantumcircuit. Het resultaat (Afbeelding 4) toont dat ongeveer 47,4% van de tijd de q₀-meting 0 is. De andere 52,6% wordt gemeten als 1:

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

Verstrengeling in Quantumcomputing

Als twee qubits in een verstrengelde toestand zijn, "instort" de meting van de ene qubit direct de waarde van de ander. Hetzelfde effect treedt op zelfs als de twee verstrengelde qubits ver uiteen liggen.

Bekijk een voorbeeld. Een quantumoperatie die twee onverstrengelde qubits in een verstrengelde toestand brengt, is de CNOT-poort. Om dit te demonstreren, voegen we een andere qubit q₁ toe, die standaard geïnitialiseerd is op 0. Voor de CNOT-poort zijn de twee qubits onverstrengeld, dus q₀ heeft een 0,5-kans op 0 of 1 door de Hadamard-poort, terwijl q₁ 0 zal zijn. De grafiek "Meetkansen" (Afbeelding 6) toont dat de kans op (q₁, q₀) (0, 0) of (0, 1) 50% is:

Dan voegen we de CNOT-poort toe (getoond als een blauwe stip en het plusteken) die de output van q₀ van de Hadamard-poort en q₁ als invoer neemt. De grafiek "Meetkansen" toont nu dat er een 50% kans is op (q₁, q₀) (0, 0) en 50% op (1, 1) bij meting (Afbeelding 7):

Er is nul kans op (0, 1) of (1, 0). Zodra we de waarde van één qubit bepalen, weten we de waarde van de ander omdat de twee gelijk moeten zijn. In zo'n toestand zijn q₀ en q₁ verstrengeld.

Laten we dit op een echte quantumcomputer uitvoeren en zien wat er gebeurt (Afbeelding 8):

We zijn dicht bij een 50/50-verdeling tussen de '00'- en '11'-statussen. We zien ook onverwachte voorkomens van '01' en '10' door de hoge foutpercentages van de quantumcomputer. Terwijl foutpercentages voor klassieke computers bijna niet bestaan, zijn hoge foutpercentages de belangrijkste uitdaging van quantumcomputing.

De Bell-circuit is slechts een beginpunt

De circuit getoond in de 'Verstrengeling'-sectie heet de Bell-circuit. Hoewel het basaal is, toont die circuit een paar fundamentele concepten en eigenschappen van quantumcomputing: qubits, superpositie, verstrengeling en metingen. De Bell-circuit wordt vaak geciteerd als het "Hello World"-programma voor quantumcomputing.

Nu heb je waarschijnlijk veel vragen, zoals:

• Hoe stellen we de superpositiestoestand van een qubit fysiek voor?
• Hoe meten we een qubit fysiek, en waarom dwingt dat de qubit in 0 of 1?
• Wat zijn precies de |0> en |1> in de qubit-formulering?
• Waarom corresponderen a² en b² met de kans op meting als 0 en 1?
• Wat zijn de wiskundige voorstellingen van de Hadamard- en CNOT-poorten? Waarom brengen poorten qubits in superpositie- en verstrengelde toestanden?
• Kunnen we het verstrengelingsfenomeen verklaren?

Er zijn geen kortingen om quantumcomputing te leren. Het vakgebied raakt complexe onderwerpen op het gebied van natuurkunde, wiskunde en informatica.

Er is een overvloed aan goede boeken en videotutorials die de technologie introduceren. Deze bronnen behandelen meestal vereiste concepten zoals lineaire algebra, quantummechanica en binaire computing.

Naast boeken en tutorials kun je ook veel leren van codevoorbeelden. Oplossingen voor financiële portfeuille-optimalisatie en voertuigrouting zijn bijvoorbeeld geweldige startpunten om te leren over quantumcomputing.

De volgende stap in computerevolutie

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

De belofte is duidelijk, maar de technologie is nog ver verwijderd van toepasbaarheid in real-life scenario's. Er komen dagelijks nieuwe vooruitgang, dus verwacht dat quantumcomputing in de komende jaren significante disruppaties zal veroorzaken.