2021 Kwantumcomputing: 12 toonaangevende toepassingen uitgelegd

Wetenschappers over de hele wereld duwen kwantumcomputers vooruit, strevend naar de krachtigste kwantumcomputing-technologie. Tech-reuzen, waaronder Google en IBM, rennen om kwantumsuprematie.

Maar waarom? Kwantummachines kunnen bepaalde problemen een miljard keer sneller oplossen dan klassieke computers. Naarmate de vraag naar krachtige processoren blijft stijgen, en taken groter worden in omvang en complexiteit, zullen we effectievere computationele architecturen nodig hebben om oplossingen te sturen.

Zulke vooruitgang in computerthechnologie zou miljoenen kansen creëren, in bijna elk aspect van modern leven. Volgens GlobeNewswire was de wereldwijde kwantumcomputingmarkt in 2019 gewaardeerd op $507,1 miljoen. Het wordt verwacht dat dit $65 miljard bereikt in 2030, groeiend met een CAGR van 56%. Noord-Amerika en Europa worden verwacht meer dan 78% te vertegenwoordigen in de kwantumcomputingmarkt.

Dit betekent niet dat kwantumsystemen vandaag de dag computers zullen vervangen. In plaats daarvan zullen ze naast klassieke supercomputers werken, omdat elk zijn unieke sterktes en voordelen heeft.

In dit overzichtsartikel hebben we enkele van de primaire toepassingen van kwantumcomputing uit de enorme mogelijkheden genoemd. Het geeft u een beter idee van waar kwantumcomputers voor ontworpen zijn.

12. Weersvoorspelling

Kwantumcomputers kunnen gebruikt worden om extreem complexe weerpatronen in kaart te brengen. In tegenstelling tot huidige weersystemen, zal het in staat zijn om voorspellingen te doen voor kleinere, specifiekere regio's, wat boeren helpt om beter voor te bereiden op weersveranderingen en vliegtuigmaatschappijen helpt om storingen te minimaliseren.

IBM investeert zwaar 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 schatten.

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

Wanneer kwantumcomputing haalbaar wordt, zullen GRAF-achtige systemen in staat zijn om miljarden data elk uur te analyseren en micro-meteorologische gebeurtenissen te voorspellen zoals de vorming van individuele wolken of windwervels.

11. Cyberbeveiliging

Ze zijn allemaal slechts ruwe schattingen

Kwantumcomputers zullen in staat zijn om veel problemen op te lossen die bijna onmogelijk zijn voor vandaag de dag machines. Dit omvat het kraken van encryptie-algoritmen die het internet's infrastructuur en gevoelige data beschermen.

RSA-encryptie gebaseerd op 2048-bit getallen, bijvoorbeeld, wordt breed gebruikt voor veilige data-overdracht. Het wordt geschat dat een kwantumcomputer met 20 miljoen qubits dergelijke encryptie binnen 8 uur kan kraken.

Natuurlijk kan de kracht van kwantumcomputing ook gebruikt worden om veel veiligere encryptiesystemen te ontwikkelen. Veel bedrijven, waaronder Microsoft en Google, hebben al gewerkt aan kwantum-veilige encryptie-algoritmen. Ze zijn momenteel in de theoretische en testfase. De grootste uitdaging is het integreren van deze nieuwe benaderingen in de bestaande infrastructuur.

Kwantum-veilige algoritmen zijn bedoeld om te versleutelen:

• Financiële en banktransacties
• Militaire en overheidscommunicatie
• Bedrijfsnetwerken
• Medische dossiers en persoonlijke data in de cloud

10. Volgende Generatie Batterijen

Lithium-ion-batterijen hebben een lange weg afgelegd: een decennium geleden konden ze smartphones net door de dag heen krijgen, nu kunnen ze elektrische voertuigen over honderden kilometers aandrijven.

Echter, als we krachtigere, goedkopere batterijen willen maken die langer duren dan de bestaande, hebben we doorbraken nodig. Onderzoekers bij 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 dipolmomenten van vier industriëel relevante moleculen (waterstofsulfide, lithiumhydride, lithiumsulfide, en lithiumwaterstofsulfide) te simuleren, met een 21-qubit kwantumcomputer.

Naarmate we de qubit-staten verhogen of verbeteren, zullen we in staat zijn om grotere en complexere verbindingen te testen voor volgende generatie batterijen. Dit type studie is het fundamentele werk dat ons uiteindelijk daar zal brengen.

9. Zonnewinning

De kwantumdot zonnecel | Credit: Universiteit van Queensland

Kwantumdots (nanosize halfgeleiderdeeltjes met unieke elektronische en optische eigenschappen door kwantummechanica) kunnen zonnewiel efficiënt omzetten in elektriciteit. Dit zal ons helpen de koolstofuitstoot aanzienlijk te verminderen en bestaande energie-opwekkingstechnologieën te verbeteren.

Australische onderzoekers aan de Universiteit van Queensland hebben al een flexibele en printbare kwantumdots ontwikkeld die een energieomzettingsrendement van meer dan 16 procent bieden.

Niet-giftige kwantumdot-materialen zoals zilverbismuthsulfide nanokristallen zijn uitgebreid bestudeerd vanwege hun overvloed en veiligheid. Hoewel ze nog niet commercieel grootschalig bruikbaar zijn, hebben enkele kleine bedrijven begonnen met het markten van kwantumdot-fotovoltaïsche producten.

8. Schone Meststoffen

Vandaag de dag wordt ammoniak meststof geproduceerd via een chemisch proces genaamd Haber-Bosch. Het combineert atmosferische stikstof met waterstof onder hoge temperaturen en extreme hoge druk. Het proces gebruikt enorme hoeveelheden energie en stoot veel broeikasgassen uit.

Als onderzoekers het nitrogenase-mechanisme en het gedrag van overgangsmetaaldetail kenden, zouden ze efficiëntere katalysatoren kunnen ontwikkelen voor de productie van meststoffen, evenals diverse andere cruciale chemicaliën die in de industrie vereist zijn.

Het goede nieuws is dat kwantumcomputers een dag de primaire cofactor van nitrogenase (FeMo-cofactor) kunnen modelleren, wat inzicht geeft in de mechanismen. Dit zou chemici helpen energie-efficiënte industriële processen te bouwen voor het synthetiseren van stikstofmeststoffen.

7. Materiaalontdekking

Afbeelding met toestemming van Second Bay Studios/Harvard SEAS

Aangezien kwantumcomputing gebaseerd is op kwantummechanische fenomenen, zoals superpositie en verwarring, kan het andere kwantumsystemen met veel meer gemak vertegenwoordigen dan klassieke computers. Bijvoorbeeld, een kwantummachine kan de vergelijking van Schrödinger voor een molecuul oplossen om de toegestane energietoestanden te berekenen.

Het biedt de capaciteit om complexe moleculen te simuleren die conventionele computers niet kunnen. Samen beloven kwantumhardware en kwantumalgoritme-ontwikkelingen de theoretische scheikunde op zijn kop te zetten.

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

Gegeven de recente vooruitgang in 'kwantum-ruisonderdrukking'-technieken, kunnen we zeggen dat materialen van de volgende generatie misschien wel op kwantumcomputers ontworpen zullen worden in plaats van de juiste chemische eigenschappen te ontdekken door trial and error.

6. Verkeersoptimalisatie

Kwantumcomputers zullen veel uitdagingen verlichten die voorgesteld worden door toenemende bevolking en congestie te midden van de behoefte aan decarbonisatie. Een van die uitdagingen is verkeerscontrole.

Kwantumtechnologie kan gebruikt worden om file te vermijden en wachttijden te verkorten. Dit betekent dat bussen en taxi's niet hoeven te reizen over lange afstanden zonder passagiers, en mensen hoeven niet lang te wachten op hun taxi's.

Volkswagen heeft al het live gebruik van kwantumcomputing gedemonstreerd om verkeer te optimaliseren. Zijn kwantum-routeringsalgoritme draait op de D-Wave kwantumcomputer en berekent de snelste reiseroutes individueel in realtime.

Zulke algoritmen kunnen constant interageren met bewegende objecten (fietsen, auto's, en mensen) en het gehele mobiliteitssysteem van een stad versterken. Ze kunnen ook geïmplementeerd worden in luchtvaartverkeerscontrole voor geoptimaliseerde routeringsinformatie.

Volkswagen is niet het enige bedrijf dat werkt aan 'kwantumverkeersoptimalisatie.' Bijna alle motorfabrikanten, waaronder BMW, Toyota, en Ford, investeren in kwantumonderzoek.

5. Marketing en Reclame

Kwantumalgoritmen kunnen betere advertenties leveren door patronen van associaties te creëren die aankoopgedrag beïnvloeden. In plaats van advertenties te leveren puur gebaseerd op de browsinggeschiedenis van de gebruiker, zullen deze algoritmen zich richten op hoe gebruikers zich voelen na het zien van een advertentie en wat voor advertenties merken kunnen helpen om lange-termijn relaties met hun klanten op te bouwen.

Bijvoorbeeld, als de advertentie genietbaar is en kijkers doet lachen of zich goed voelen, zal het een sterke merk-publieksrelatie vormen. Saai of irritante advertenties, aan de andere kant, kunnen counterproductief zijn.

D-Wave Systems Inc. (in samenwerking met Recruit Communication Ltd) heeft al kwantumcomputing toegepast op advertenties, marketing, en communicatie-optimalisatie. Het doel is om de complexe data in minder tijd te analyseren en de efficiëntie van het matchen van advertenties met klanten in het web-advertentieveld te optimaliseren.

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

4. Financiële Modelleren

Moderne markten zijn een van de meest ingewikkelde systemen in het bestaan. In de tijd dat u deze zin leest, zullen hedge funds, beleggingsbanken, en particuliere beleggers over de hele wereld meer dan $80 miljoen in aandelen verhandeld hebben.

Voor institutionele beleggers is het vinden van de juiste mix voor vruchtbare investeringen, gebaseerd op verwachte opbrengsten en geassocieerde risico's, heel belangrijk om in de markt te kunnen overleven. Dit omvat het analyseren van duizenden factoren die aandeelprijzen kunnen beïnvloeden. Veel beleggingsbanken draaien 'Monte Carlo'-simulaties op klassieke computers voor gedetailleerde analyse, wat enorme rekenbronnen en tijd kost.

Kwantumcomputers zijn specifiek ontworpen voor dit soort probabilistische berekening. Door op de kwantum-bandwagon te springen, kunnen beleggingsbanken niet alleen de kwaliteit van oplossingen verbeteren, maar ook de tijd om ze te ontwikkelen verkleinen. Aangezien deze bedrijven miljarden dollars aanpakken, kan zelfs een kleine verbetering in verwachte opbrengsten veel waard zijn voor hen.

Uiteindelijk zullen kwantumcomputers financiële diensten helpen om:

• Beleggingswinsten te verhogen
• Kapitaalvereisten te verminderen
• Identificatie en beheer van risico's en compliance te verbeteren
• Nieuwe beleggingskansen te openen.

Lees: Hoeveel Geld Is Er In De Wereld?

3. Geneesmiddelontdekking

De stroom van genetische informatie binnen een biologisch systeem

Op dit moment kost het farmaceutische bedrijven miljarden dollars en meer dan tien jaar om een nieuw geneesmiddel te ontdekken en op de markt te brengen. Ze draaien honderden miljoenen vergelijkingen op klassieke computers. Echter, de verwerkingscapaciteiten van deze machines zijn tamelijk beperkt: ze kunnen alleen moleculen tot een bepaalde grootte analyseren.

Overweeg het penicilline-ontwerp, dat 41 atomen bevat: grondig en nauwkeurig modelleren van de basisstaat-energie van het penicilline-molecuul zou een digitale machine vereisen met meer transistors dan er atomen in het observeerbare universum zijn.

Het probleem kan opgelost worden met kwantumcomputing. Naarmate kwantumhardware en algoritmes beschikbaarder worden, zal het mogelijk zijn om veel grotere moleculen te vergelijken. Dit kan de geneesmiddelontwikkelingstijd en -kosten drastisch verminderen, wat onderzoekers in staat stelt om snellere ontdekkingen te doen die tot genezing van diverse ziekten kunnen leiden.

In de life sciences-industrie worden kwantumcomputers verwacht om drie sleuteluse cases mogelijk te maken die elkaar versterken in een deugdelijke cyclus:

• Precisie-geneesmiddeltherapieën ontwikkelen door genomen en uitkomsten te associëren
• De efficiëntie van small-molecule geneesmiddelontdekking verhogen en patiëntenuitkomsten verbeteren
• Nieuwe biologische producten bouwen op basis van eiwitvouwvoorspellingen

2. Kunstmatige Intelligentie

Google's kwantummachine

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

Voor bepaalde modellen zal kwantum machine learning veel efficiënter zijn dan klassiek machine learning. Het strekt zich uit tot een tak van onderzoek die structurele en methodologische gelijkenissen tussen specifieke fysische systemen en leersystemen verkent, 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 dat AI capaciteit genoeg heeft om een andere AI te creëren, dus de betekenis 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 prototypen van kwantum machine learning-modellen. IBM, Microsoft, en andere tech-reuzen gieten ook geld in kwantum machine learning.

Lees: Kunstmatige Intelligentie vs. Machine Learning vs. Deep Learning

1. Deeltjesfysica

Proton-proton botsing in de LHC die een Higgs-boson produceert | CERN

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

Bijvoorbeeld, experimenten op de Large Hadron Collider bij CERN produceren een verbazingwekkende één petabyte per seconde data van één miljard deeltjesbotsingen per seconde. De analyse wordt uitgevoerd op één miljoen CPU-cores die werken in 170 datacenters over de hele wereld. In 2027 zal de benodigde rekencapaciteit om CERN's data te verwerken en analyseren met een factor 50-100 toenemen.

Daar komt kwantumcomputing van pas. Het zal fysici in staat stellen om kernfysica, de spreiing van kernen, quarks, alsook fundamentele interacties te simuleren.

CERN heeft al begonnen met samenwerken met IBM aan kwantumcomputers. Onderzoekers hebben de 'kwantum support vector machine' gebruikt om te zien hoe gesuperviseerd kwantum machine learning gebruikt kon worden om Higgs-boson-gebeurtenissen in botsingsdata te identificeren.

Een ander team onderzoekers simuleerde met succes rooster-gauge-theorieën in een kwantumcomputer, die de interactie tussen elementaire deeltjes beschrijven, zoals quarks en gluonen.

Lees: Wat Is Kwantumsuprematie? En Waarom Is Het Belangrijk?

Over het algemeen maakt kwantumcomputing stappen in diverse velden, variërend van many-body fysica tot moleculaire energetica. Het zal huidige technieken verstoren en onderzoekers in staat stellen problemen aan te pakken die ze nooit zouden hebben geprobeerd op te lossen.