Zevenentwintig jaar voordat Steve Jobs een computer introduceerde die je in je zak kon steken, publiceerde natuurkundige Paul Benioff een artikel waaruit bleek dat het theoretisch mogelijk was een veel krachtiger systeem te bouwen dat je in een vingerhoed kon verstoppen – een quantumcomputer.

Het concept dat Benioff in 1980 beschreef, vernoemd naar de subatomaire fysica die het wilde benutten, vormt vandaag de dag nog steeds de basis voor onderzoek, inclusief pogingen om het volgende grote ding op computergebied te bouwen: een systeem dat een PC in sommige opzichten ouderwets als een telraam zou kunnen doen lijken.

Richard Feynman – een Nobelprijswinnaar wiens geestige lezingen de fysica bij een breed publiek onder de aandacht brachten – hielp bij het opzetten van het vakgebied door te schetsen hoe dergelijke systemen grillige kwantumverschijnselen efficiënter zouden kunnen simuleren dan traditionele computers. Dus,…

Wat Is Quantum Computing?

Kwantumcomputing is een gesofisticeerde benadering van parallelle berekeningen, waarbij gebruik wordt gemaakt van de fysica van subatomaire deeltjes ter vervanging van de meer simplistische transistors in de huidige computers.

Kwantumcomputers rekenen met qubits, rekeneenheden die aan of uit kunnen staan of een waarde daartussenin kunnen hebben, in plaats van de bits in traditionele computers die óf aan óf uit staan, één of nul. Het vermogen van de qubit om in de tussenliggende toestand te leven – superpositie genoemd – voegt een krachtig vermogen toe aan de berekeningsvergelijking, waardoor kwantumcomputers superieur zijn voor sommige soorten wiskunde.

Wat Doet Een Quantum Computer?

Met qubits kunnen kwantumcomputers berekeningen uitvoeren waar klassieke computers heel lang over zouden doen – als ze deze al zouden kunnen uitvoeren.
Computers van tegenwoordig gebruiken bijvoorbeeld acht bits om een getal tussen 0 en 255 weer te geven. Dankzij eigenschappen als superpositie kan een quantumcomputer acht qubits gebruiken om elk getal tussen 0 en 255 tegelijk weer te geven.

Het is een eigenschap als parallellisme in computers: Alle mogelijkheden worden in één keer berekend in plaats van achter elkaar, wat enorme snelheden oplevert.
Dus terwijl een klassieke computer één voor één lange delingsberekeningen doorloopt om een enorm getal te ontbinden, kan een kwantumcomputer het antwoord in één stap krijgen. Dat betekent dat kwantumcomputers hele gebieden, zoals cryptografie, die gebaseerd zijn op het ontbinden in factoren van wat nu onmogelijk grote getallen zijn, een nieuwe vorm zouden kunnen geven.

Quantum parallel processing

Een traditionele computer met twee bits kan informatie opslaan in vier mogelijke combinaties: 00, 01, 10 en 11. Een quantum computer kan al deze combinaties tegelijk aannemen. Een reeks van dertig nullen en enen maakt ongeveer een miljard verschillende combinaties mogelijk. Een klassieke computer kan slechts een van deze combinaties tegelijkertijd innemen, maar een quantumcomputer kan ze allemaal tegelijk innemen.

Hierdoor kan het een miljard berekeningen maken in de tijd waarin een klassieke computer er één maakt. In 200 seconden voerde de machine (quantum computer van Google) een wiskundig ontworpen berekening uit die zo complex was dat de krachtigste supercomputer ter wereld, IBM’s Summit, er 10.000 jaar over zou doen. Daarmee is Google’s quantumcomputer ongeveer 158 miljoen keer sneller dan ’s werelds snelste supercomputer.

Een quantumcomputer is te vergelijken met een klassieke computer met een miljard processoren, maar dan in één stuk hardware. Het fenomeen dat een quantumcomputer meerdere berekeningen tegelijk kan maken, wordt ook wel quantum parallel processing genoemd.

Quantumverstrengeling

Een andere eigenschap van quantumcomputers is het fenomeen quantumverstrengeling. Dit houdt in dat twee deeltjes een bepaalde band met elkaar hebben, ongeacht de onderlinge afstand. Wanneer de staat van een van de deeltjes gemeten wordt, weet men direct de staat van het tweede. Ongeacht de afstand. Bijvoorbeeld: als deeltje één omhoog draait, dan weten we dat deeltje twee omlaag draait. Dankzij quantumsuperpositie en quantumverstrengeling is het voor een quantumcomputer mogelijk om een zeer groot aantal berekeningen tegelijkertijd uit te voeren.

Een Grote Rol Binnen Kleine Simulaties

Dat zou nog maar het begin kunnen zijn. Sommige deskundigen geloven dat kwantumcomputers de grenzen zullen doorbreken die nu nog een belemmering vormen voor simulaties in de chemie, de materiaalkunde en alles waarbij werelden betrokken zijn die gebouwd zijn op de nano-grote stenen van de kwantummechanica.

Kwantumcomputers zouden zelfs de levensduur van halfgeleiders kunnen verlengen door ingenieurs te helpen meer verfijnde simulaties te maken van de kwantumeffecten die ze beginnen te vinden in de kleinste transistors van vandaag.

Deskundigen zeggen dat kwantumcomputers uiteindelijk geen klassieke computers zullen vervangen, maar ze zullen aanvullen. En sommigen voorspellen dat kwantumcomputers als versnellers zullen worden gebruikt, net zoals GPU’s de huidige computers versnellen.

Hoe Werkt Quantum Computer In Gebruik?

Verwacht niet dat je je eigen quantumcomputer kunt bouwen als een doe-het-zelf PC met onderdelen die je uit de goedkope bakken van de plaatselijke elektronicawinkel kunt halen.
Het handjevol systemen dat vandaag de dag in bedrijf is, heeft meestal koeling nodig die een werkomgeving creëert net ten noorden van het absolute nulpunt. Ze hebben die reken arctische omgeving nodig om de kwetsbare kwantumtoestanden die deze systemen aandrijven, te kunnen hanteren.
Om aan te geven hoe moeilijk het kan zijn om een quantumcomputer te bouwen, een prototype hangt een atoom tussen twee lasers om een qubit te creëren. Probeer dat maar eens in je eigen werkplaats!

Kwantumcomputing vergt nano-hercules-spieren om iets te creëren dat verstrengeling heet. Dat is wanneer twee of meer qubits in één kwantumtoestand bestaan, een toestand die soms wordt gemeten door elektromagnetische golven van slechts een millimeter breed.
Als je die golf met een beetje te veel energie opvoert, verlies je verstrengeling of superpositie, of beide. Het resultaat is een ruisachtige toestand die decoherentie wordt genoemd, het equivalent in quantumcomputing van het blauwe scherm des doods.

Wat zijn de vooruitzichten voor Quantum Computing?

Een handvol bedrijven, zoals Alibaba, Google, Honeywell, IBM, Tencent, Microsoft, IonQ en Xanadu, werkt momenteel met vroege versies van kwantumcomputers.
Vandaag de dag leveren zij tientallen qubits. Maar qubits kunnen ruis vertonen, waardoor ze soms onbetrouwbaar zijn. Om problemen in de echte wereld op een betrouwbare manier aan te pakken, hebben systemen tienduizenden of honderdduizenden qubits nodig.

Deskundigen denken dat het nog wel een paar decennia kan duren voordat we een tijdperk van hoge getrouwheid bereiken waarin kwantumcomputers echt nuttig zijn.
Voorspellingen over wanneer we de zogenaamde quantum computing suprematie bereiken – het moment waarop quantumcomputers taken uitvoeren die klassieke computers niet kunnen uitvoeren – is een kwestie van levendig debat in de industrie.

Door het grote potentieel van deze computers, wordt er wereldwijd veel geld en tijd gestoken in onderzoek naar quantumcomputers en het realiseren van prototypes. Zwaargewichten als Microsoft, Intel, Google en IBM en talloze onderzoeksgroepen en universiteiten (bijvoorbeeld de TU Delft, zie kader hieronder) zijn in een wapenwedloop verstrikt geraakt over wie de eerste stabiel functionerende quantumcomputer weet te realiseren. Hoe dit afloopt? Is het dan toch Google, of IBM? Maar dat er een serieuze toekomst is weggelegd voor deze technologie. Dat is zeker.

Nieuws: Tegenslag voor Nederlandse pionier van de quantumcomputer in ontwikkelproces van Majorana Qubits.
“Bekende quantumwetenschapper Leo Kouwenhoven heeft met zijn team van de Universiteit in Delft een tegenslag te verwerken gekregen. Zij deden in 2018 onderzoek naar zogenaamde Majorana qubits in een quantum computer. Majorana qubits zijn stabieler en foutbestendiger dan de huidige qubits. Het onderzoek uit 2018 ging de hele wereld over. Na nieuwe analyse van de data in 2020 kwamen de onderzoekers echter onregelmatigheden tegen. Die onregelmatigheden hebben overigens geen effect op het wel of niet bestaan van Majorana qubits. Maar wel op de snelheid van het ontwikkelingstraject. De ontwikkeling van de quantum computer in het algemeen is overigens ook niet afhankelijk van dit Majorana deeltje. Er zijn meerdere wegen die naar een goeie quantum computer leiden. Wel is de gebeurtenis een grote domper voor het team uit Delft.

Een veelbelovende technologie dus: quantum computing. Een technologische trend om in de gaten te houden. Want als deze trend tot wasdom komt, krijgen we onwijs veel nieuwe mogelijkheden. Vergeet niet: een kwantumcomputer met 300 qubits zou in een oogwenk meer berekeningen kunnen uitvoeren dan er atomen in het zichtbare universum zijn. Dat is bizar veel. Ik hou het nieuws voor je in de gaten. Je kunt me natuurlijk ook als spreker boeken over het onderwerp quantum computing.”