De komende kwantumcomputerrevolutie

Stel je een computer voor die bijna net zo snel werkt als het menselijk lichaam en al zijn gegevens opslaat, net als mensen, op DNA-strengen. Dit is geen science fiction – het is in hoge mate wetenschappelijk feit – zoals wetenschappers onlangs hebben aangetoond hoe gegevens in DNA kunnen worden opgeslagen. Alleen al in de afgelopen twee jaar hebben kwantumcomputerverwerkingschips grote vooruitgang geboekt in de technologische wereld met grotere en betere processors gebouwd en in experimenteel gebruik.

Kwantummechanica biedt de onderliggende wetten en basis voor het bouwen van kwantumcomputers. Dit is het wetenschapsgebied dat beschrijft hoe subatomaire deeltjes zich gedragen en op elkaar inwerken, en het omvat wetten, theorieën en principes uit de kwantumfysica die beschrijven hoe deze verbijsterende interacties plaatsvinden op het gebied van computergebruik.

Deze theorieën en wetten omvatten energiekwantisatie, energiepakketten gedefinieerd als kwantum; het gelijktijdige bestaan ​​van deeltjes als zowel golf als deeltjes die bekend staat als dualiteit van golven en deeltjes; Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, dat zegt dat meting het subatomaire deeltje instort in een van zijn twee potentiële toestanden; en het correspondentieprincipe, ontwikkeld door natuurkundige Niels Bohr, die stelde dat elke nieuwe theorie ook van toepassing moet zijn op: conventionele verschijnselen ook in de oude natuurkunde, niet alleen het gedrag van deeltjes en golven op atomair niveau in nieuwe theorieën.

Bij standaard computergebruik presteren computers door informatiebits digitaal te verwerken in een van de twee waarden: nul en één, die ofwel een aan- of uit-status vertegenwoordigen. Hoewel de computersnelheden exponentieel zijn toegenomen sinds de begindagen van personal computers in de late jaren '80 en vroege jaren '90, zijn deze en zelfs supercomputers die worden gebruikt door het leger, onderzoekslaboratoria en hogescholen hebben nog steeds grenzen aan hoe snel ze complexe wiskundigen voltooien vergelijkingen. Sommige vergelijkingen doen er zelfs jaren over om uit te werken, zelfs bij supercomputers, omdat sommige wiskundige vergelijkingen zo lang zijn.

Niet zo met een kwantumcomputer, gebouwd op het idee van kwantumbits, ook wel qubits genoemd, omdat deze gegevens tegelijkertijd in meerdere 0- en 1-toestanden kunnen bestaan. Hoe meer qubits in een kwantumcomputer, hoe meer potentiële toestanden het toelaat - en hoe sneller gegevensberekeningen kunnen plaatsvinden. Vanwege kwantumverstrengeling, wat Einstein 'spookachtige actie op afstand' noemde, kunnen qubits met grote afstanden tussen hen werken zonder dat er draden nodig zijn. En daardoor gebeurt wat er met het ene deeltje gebeurt, tegelijkertijd met het andere.

Kwantumcomputers werken zo snel dat ze bijna elke coderingsmethode die tegenwoordig wordt gebruikt, kunnen doorbreken, inclusief banktransacties en andere methoden van cyberbeveiliging. In de handen van mensen met kwade bedoelingen zou een kwantumcomputer veel schade aanrichten en de wereld op zijn technologische knieën brengen.

Maar in de handen van mensen met de juiste bedoelingen, zullen kwantumcomputers de mogelijkheden van kunstmatige intelligentie verbeteren, zoals nog nooit eerder is gezien. U kunt bijvoorbeeld de wetten van het periodiek systeem en de kwantummechanica in de computer laden om efficiëntere zonnecellen te ontwerpen. Quantumcomputers kunnen leiden tot verfijnde en optimale productieprocessen, het verbeteren van elektrische autobatterijen, het sneller oplossen van rekenalgoritmen verkeersopstoppingen op de snelweg, de beste verzendmethoden en reisroutes uitzoeken en in feite gegevens verwerken met enorme snelheden die zelfs in de snelste supercomputers.

Quantumcomputers bieden niet alleen een meer geavanceerde technologie; ze vormen de basis voor een geheel nieuwe vorm van computergebruik, volledig gebaseerd op de wetten die ten grondslag liggen aan de kwantummechanica. Vergeleken met een standaardcomputer die is uitgerust met klassieke rekenmethoden, laat een kwantumcomputer een gewone computer eruitzien als een driewieler in vergelijking met een supersnelle raceauto.

Ontwikkelingen in qubit-processors door de jaren heen zijn onder meer:

• 1998 Oxford University in het VK onthulde hun 2-qubit-processor.
• 1998 IBM, UC Berkeley, Stanford University en MIT ontwikkelen een 2-qubit-processor.
• 2000 Technische Universiteit van München, Duitsland, heeft een 5-qubit-processor gemaakt.
• 2000 Los Alamos National Laboratory in de VS onthulde een 7-qubit-processor.
• 2006 Institute for Quantum Computing, Perimeter Institute for Theoretical Physics en MIT creëren een 12-qubit-processor.
• IBM deelt het nieuws van zijn 17-qubit-processor.
• 2017 IBM onthult zijn 50-qubit-processor.
• 2018 Google deelt nieuws over zijn 72-qubit-processor.

Hoewel kwantumcomputers snel werken, hebben ze op dit moment geen manier om gegevens op te slaan, omdat je volgens de bestaande regels voor kwantummechanica geen duplicaat, kopie of opslag van gegevens in het kwantumsysteem kunt maken. Ingenieurs en wetenschappers onderzoeken meerdere manieren om kwantumgegevens op te slaan; sommigen overwegen zelfs om gegevens op DNA-strengen op te slaan.

Wetenschappers ontwikkelden in 2017 een methode die ongeveer 215 miljoen gigabyte aan informatie opslaat in een enkel DNA-gram. Conventionele harde schijven slaan gegevens in twee dimensies op, terwijl DNA drie dimensies en meer gegevensopslag biedt. Als een manier om DNA te gebruiken werkbaar zou blijken te zijn, zou in feite alle kennis van de wereld die op DNA is opgeslagen, een enkele kamer of de achterkant van twee standaard pick-up trucks vullen.

Onderzoekers en grote spelers over de hele wereld klauteren om de volgende grootste processor te bouwen. IBM heeft kwantumcomputing in zijn cloud geplaatst, waardoor het beschikbaar is voor bijna iedereen die zich aanmeldt om deel te nemen aan zijn experimenten.

Microsoft is bezig met het integreren van kwantumcomputing in zijn Visual Studio-platform, maar heeft in september 2017 zijn plannen aangekondigd om zijn plannen te baseren op de Majorana Fermions-deeltje – een deeltje dat bestaat als zijn eigen antideeltje en dat in 2012 werd ontdekt – Microsoft blijft relatief stil op zijn kwantumcomputers plannen.

Google heeft plannen om het kwantumcomputerveld te domineren en hoopt "kwantum suprematie" te bereiken door een chip te bouwen die de huidige supercomputers kan overtreffen met zijn kwantumberekeningen.

Ongeacht de vooruitgang die is geboekt in kwantumcomputing, zullen kwantumcomputers niet snel in de handen van het publiek komen. Werkende kwantumcomputers zullen eerst hun weg vinden naar laboratoria, denktanks en onderzoekscentra om te helpen bij het oplossen van vergelijkingen die jaren zouden duren voordat supercomputers zouden werken.

Hoewel veel onderzoekers de commercialisering van kwantumcomputers binnen de komende vier tot vijf voorspellen, jaren, kan het daarna nog een paar jaar duren voordat kwantumcomputers de norm worden voor de openbaar.