Kwantumcomputers uitgelegd: 22 sleutelfeiten (2021-editie)

Kwantumcomputers zijn niet bedoeld om uw e-mails te checken, status te updaten, of normale software/hardware-taken te doen. In plaats daarvan zijn ze gebaseerd op iets complexers — Kwantummechanica.

Kwantumcomputer heeft te maken met deeltjes veel kleiner dan de grootte van atomen. Op dergelijke kleinere schalen maken de regels van de fysica geen zin. Dit is waar opwindende dingen beginnen te gebeuren. Deeltjes kunnen heen en weer bewegen of zelfs gelijktijdig bestaan. Deze typen computers kunnen de rekenkracht vergroten boven wat haalbaar is met vandaag de dag conventionele computers.

Laten we uiteenzetten wat we op dit moment over kwantumcomputing weten. We hebben enkele van de interessante feiten over kwantumcomputers verzameld die uw brein zullen buigen.

1. Informatie Opslagpatroon

De computers die we vandaag de dag gebruiken, slaan data op in een binair formaat — een reeks van 0's en 1's. Elk geheugencomponent heet een bit, en het kan gemanipuleerd worden via stappen van Booleaanse logica.

Aan de andere kant, een kwantumcomputer zou data opslaan als een '0', '1', of een kwantumsuperpositie van de twee toestanden. Zo'n kwantumbit (ook wel Qubits genoemd) heeft veel grotere flexibiliteit vergeleken met een binair systeem.

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

2. Brandende Snelheid

Aangezien data in kwantumcomputers kan bestaan in meer dan alleen 0's en 1's toestanden, kunnen ze berekeningen parallel uitvoeren. Laten we een eenvoudig voorbeeld overwegen; als de qubit in een superpositie is van toestand 0 en toestand 1, en het een berekening uitvoert 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 tonen wanneer het in een toestand van decoherentie is, wat duurt (terwijl het in een superpositie van toestanden is) totdat het instort naar één toestand. De capaciteit om meerdere taken tegelijkertijd uit te voeren, heet kwantumparallelisme.

3. Beveiliging Herdefinieerd

De snelheid van kwantumcomputers is ook een ernstige zorg in het veld van encryptie en cryptografie. Vandaag de dag zijn de werelds financiële beveiligingssystemen gebaseerd op het ontbinden van grote getallen (RSA of DSA algoritmen) die letterlijk niet gekraakt kunnen worden door conventionele computers binnen de levensduur van de Aarde. Echter, een kwantumcomputer zou de getallen in een redelijke periode kunnen ontbinden.

Aan de andere kant, zullen kwantumcomputers in staat zijn om onbreekbare beveiligingskenmerken te bieden. Ze kunnen cruciale data (zoals online transacties, e-mailaccounts) vergrendelen met veel betere encrypties. Veel algoritmes zijn ontwikkeld voor kwantumcomputers — meest bekend zijn Grover's algoritme (voor het zoeken in een ongestructureerde database) en Shor's algoritme (voor het ontbinden van grote getallen).

Lees: Een Nieuwe Methode Om Kwantumcomputer Prestaties Te Verhogen

4. Energie-efficiënt

Energieverbruik is de kritieke factor van elk apparaat dat op elektriciteit draait. Een enorm array van processoren heeft een zware voeding nodig om hun prestaties te handhaven. De snelste supercomputer ter wereld (Summit), bijvoorbeeld, verbruikt 13 MW aan stroom.

Echter, dingen worden echt interessant met kwantumcomputers. Aangezien ze kwantumtunneling gebruiken, zullen ze het energieverbruik met een factor 100 tot 1000 verminderen.

5. De Alternatieve Realiteiten

Volgens de kwantumfysica, hebben we te maken met iets wat Multiversum heet, waar een probleem veel of oneindige waarschijnlijke oplossingen kan hebben. Bijvoorbeeld, u leest misschien dit artikel op uw laptop. In een ander universum, leest u dit misschien op mobiel tijdens het reizen.

Een kwantumcomputer kan 'n' taken in 'n' parallele universen uitvoeren en bij het resultaat komen. Als een traditionele computer 'n' berekeningen in 'n' seconden doet, kan een kwantumcomputer 'n²' berekeningen in dezelfde hoeveelheid tijd uitvoeren.

Lees: 25 Grootste Uitvindingen In Computerwetenschap

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

6. Waarom Het Moeilijk Is Om Kwantumcomputers Te Bouwen

Het probleem met kwantumcomputers is stabiliteit. Het blijkt dat interferentie (elke soort trilling verstoort de trilling van atomen) onzin-output creëert. Elektronen in de kwantummechanica gedragen zich als golven en worden beschreven door een golf-functie. Deze golven kunnen interfereren, wat de vreemde gedraging van kwantumdeeltjes veroorzaakt, en dit heet decoherentie.

7. Koude Temperatuur

De temperatuur die nodig is om een stabiele conditie voor betere prestaties te handhaven, moet echt laag zijn. Om kwantumcomputers te laten werken, moeten atomen stabiel gehouden worden. En de ene bekende efficiënte manier om deze atomen stabiel te houden is 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 gekoeld tot 0,015 Kelvin (180 keer kouder dan interstellair ruimte).

8. Probleemoplossende Vaardigheden

Kwantumcomputers kunnen klassieke algoritmes draaien; echter, voor efficiënte resultaten, gebruiken ze algoritmes die inherent kwantummatig lijken of enkele kenmerken van kwantumberekening gebruiken zoals kwantumverstrengeling of kwantumsuperpositie.

Onbeslisbare klasseproblemen blijven onbeslisbaar in kwantumcomputing. Wat kwantumalgoritmes fascinerend maakt, is dat ze problemen sneller kunnen oplossen dan klassieke algoritmes. Bijvoorbeeld, ze kunnen het reizende handelaarsprobleem in seconden oplossen, wat 30 minuten duurt in conventionele computers.

Bovendien kan een kwantumcomputer helpen verre planeten ontdekken, weer nauwkeurig voorspellen, kanker eerder detecteren, en effectievere geneesmiddelen ontwikkelen door DNA-sequencingdata te analyseren.

Lees: 20 Grootste Computerprogrammeurs Aller Tijden

9. AI Game Changer

De kunstmatige intelligentie is in de beginfase. Vandaag de dag geavanceerde robot kan in een kamer lopen, materialen, vormen en bewegende lichamen herkennen, maar mist de factoren die ze echt intelligent maken. Kwantumcomputers zijn veel beter op het gebied van informatieverwerking — met 300 bits zouden we het hele universum in kaart kunnen brengen.

Kwantummachines zouden in staat zijn om de snelheid van machine learning-operaties exponentieel te versnellen, de tijd van honderdduizenden jaren terug te brengen tot enkele seconden.

Om de afstand tussen twee grote vectoren van 1 Zettabyte grootte te meten, zal een conventionele computer met een GHz kloksnelheid honderdduizenden jaren duren. Terwijl een GHz kloksnelheid kwantumcomputer (als ooit in de toekomst gebouwd) slechts een seconde zal duren na de vectoren verstrengeld zijn met de ancillaire qubit.

10. Niet Alle Dingen Kunnen Snel Gemaakt Worden

Hoewel kwantumcomputers de meest optimale manier vinden om een probleem op te lossen, vertrouwen ze op enkele van de basale wiskundige principes die uw persoonlijke computer dagelijks gebruikt. Dit verwijst naar basale rekenkunde die al goed geoptimaliseerd is.

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

Lees: 50 Shades of Computer Programming Laws

11. Recentste Prestatie Op Kwantumcomputing

Wetenschappers aan de Universiteit van New South Wales ontwikkelden een eerste kwantumlogische poort met silicium in 2015. In hetzelfde jaar onthulde NASA de eerste operationele kwantumcomputer gemaakt door D-Wave die $15 miljoen waard was.

In 2016 creëerden onderzoekers aan de Universiteit van Maryland met succes de eerste herprogrammeerbare kwantumcomputer. Twee maanden later specificheerde de Universiteit van Basel een variant van de elektronen-gat-gebaseerde kwantummachine die elektrongaten gebruikt (in plaats van elektronspins te manipuleren) in een halfgeleider bij lage temperaturen, die aanzienlijk minder kwetsbaar zijn voor decoherentie.

In 2019 publiceerden Google AI, in samenwerking met NASA, een paper waarin ze beweren dat ze kwantumsuprematie hebben bereikt — een doorbraak in de geschiedenis van kwantumcomputing.

Lees: Een Nieuw Kwantumdeeltje – 3D Skyrmion In Een Kwantumgas

12. Systemen Kunnen Gebruikt Worden Om Kwantummachines Te Simuleren

Een van de belangrijkste toepassingen van kwantumcomputing is kwantumsimulators. Ze laten de analyse van kwantumsystemen toe die onmogelijk zijn om te modelleren met supercomputers en moeilijk te bestuderen in het laboratorium.

Kwantumsimulators zijn specifiek ontworpen om inzicht te geven in bepaalde fysicaproblemen. Ze kunnen geconstrueerd worden met conventioneel programmeerbare 'digitale' kwantumcomputers, die een breed bereik aan kwantumproblemen kunnen oplossen.

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

13. Programmeertaal Voor Kwantumcomputers

In 2020 ontwikkelden onderzoekers Sliq: een makkelijk te begrijpen high-level programmeertaal voor kwantumcomputers.

In kwantumberekeningen moeten ontwikkelaars meestal omgaan met diverse frustraties, zoals een laag niveau van abstractie dat tot rommelige code leidt, tijdelijke waarden die genegeerd moeten worden, en nog veel meer.

Hoewel sommige kwantumtalen proberen hieromheen te werken, doen ze dit op een relatief ingewikkelde manier. Sliq, aan de andere kant, ondersteunt veilige, automatische uncomputatie, wat een intuïtieve semantiek mogelijk maakt.

Enkele Meer Fascinerende Feiten en Ontdekkingen

14. Kwantumcomputing werd voor het eerst genoemd door Richard Feynman in 1959 in zijn beroemde lezing 'There is plenty of room at the bottom.' Hij beschouwde de mogelijkheid om individuele atomen te manipuleren als een verbeterde vorm van synthetische scheikunde.

15. De werelds eerste kwantumsleutel-distributieprotocol, BB84, werd ontwikkeld door IBM-onderzoekers Gillies Brassard en Charles Bennett in 1984. Het is een techniek om veilig een privésleutel van het ene punt naar het andere te sturen voor gebruik in one-time pad encryptie.

16. In februari 2018 vonden fysici een nieuwe vorm van licht, wat betrekking heeft op driedefoton-gebonden toestanden in een niet-lineair kwantumm medium, dat de kwantumcomputing-revolutie kan drijven.

17. In maart 2018 lanceerde de Quantum Artificial Intelligence Lab — gedreven door de Universities Space Research Association, NASA, en Google — een 72-qubit processor genaamd Bristlecone.

18. Een realistisch model van kwantumberekening draait op kwantumalgoritmes, die gecategoriseerd kunnen worden op het type probleem dat ze oplossen of techniek/ideeën die ze gebruiken. Momenteel hebben we algoritmes gebaseerd op amplitudeversterking, kwantum-Fourier-transformatie, en hybride kwantumalgoritmes.

19. Verschillende kandidaten worden achtervolgd om een kwantummachine fysiek te implementeren. Onder hen zijn de meest populaire –

• Supergeleidende en gevangen-ion kwantumcomputer
• Spin-gebaseerde en ruimtelijke kwantumdot
• Diamant-gebaseerde kwantumcomputer
• Cavity kwantum-elektrodynamica
• Moleculaire magneet

20. Data gecodeerd in een kwantumtoestand kan niet gekopieerd worden. Als u probeert deze data te lezen, zal de kwantumtoestand veranderen. Het kenmerk kan gebruikt worden om afhaken in kwantumsleutel-distributie 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).

Lees: 5 Kwantumprocessoren Die Nieuw Computing Paradigma Kenmerken

22. In 2020 stelde een team onderzoekers aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, een nieuw record op voor het voorbereiden en meten van kwantumbits binnen een kwantumcomputer zonder fout. Meer specifiek, bereikten ze een voorbereidings- en meetfoutpercentage van 0,03%. Het zal bijna elk gebied van kwantuminformatiewetenschap beïnvloeden.