Hoe Quantum Computing de wereld zou kunnen veranderen

De kwantumfysica heeft ons leven al aanzienlijk beïnvloed. De uitvindingen van de laser en de transistor zijn in feite een gevolg van de kwantumtheorie - en aangezien deze beide componenten zijn een basisbouwsteen van elk elektronisch apparaat dat tegenwoordig bestaat, wat u ziet, is in feite "kwantummechanica in" actie".

Dat gezegd hebbende, zal de kwantumindustrie nu een revolutie teweegbrengen in de computerwereld, aangezien er substantiële inspanningen worden geleverd om de ware kracht van het kwantumrijk te benutten. Quantum computing kan toepassingen vinden in diverse sectoren, zoals beveiliging, gezondheidszorg, energie en zelfs de entertainmentindustrie.

Kwantum versus Klassieke computers

De geschiedenis van de kwantumtheorie gaat meer dan een eeuw terug. De huidige kwantumbuzz is echter te wijten aan recente onderzoeksresultaten die suggereren, onzekerheid, en inherente eigenschap van kwantumdeeltjes, kan dienen als een krachtig wapen om het kwantum te realiseren potentieel.

Zoals de theorie stelt, is het schijnbaar onmogelijk om elke eigenschap van individuele kwantumdeeltjes (d.w.z. elektronen of fotonen) te kennen. Overweeg een voorbeeld van een klassieke GPS, waarbij het nauwkeurig de snelheid, locatie en richting van uw beweging voor u kan voorspellen terwijl u uw gewenste bestemming bereikt.

Een kwantum-GPS kan echter niet alle bovenstaande eigenschappen van een kwantumdeeltje precies bepalen, omdat de wetten van de kwantumfysica dit niet toestaan. Dit geeft aanleiding tot een probabilistische taal in de kwantumwereld in plaats van de klassieke taal van zekerheid.

In dit geval impliceert probabilistische taal het toewijzen van kansen aan verschillende eigenschappen van kwantum deeltjes zoals snelheid, positie en bewegingsrichting die schijnbaar moeilijk aan te geven zijn zekerheid. Deze probabilistische aard van kwantumdeeltjes geeft aanleiding tot een mogelijkheid dat alles en nog wat op elk moment kan gebeuren.

In het licht van computergebruik hebben de binaire nullen en enen, weergegeven als qubits (kwantumbits), de eigenschap om op elk moment een 1 of 0 te zijn.

De bovenstaande weergave laat een bittere smaak in de mond achter, aangezien in klassieke machines nullen en enen zijn gekoppeld aan schakelaars en circuits die op verschillende momenten in- en uitschakelen. Daarom lijkt het niet verstandig om hun exacte status (d.w.z. aan of uit) niet te kennen in de computercontext.

In feite kan het rekenfouten veroorzaken. Informatieverwerking in de kwantumwereld is echter afhankelijk van het concept van kwantumonzekerheid - waarbij "superpositie" van 0 en 1 geen bug is, maar een functie. Het maakt een snellere gegevensverwerking mogelijk en vergemakkelijkt een snellere communicatie.

Lees verder: Hoe optische kwantumcomputers werken

Aan de vooravond van Quantum Computing

De consequentie van de probabilistische eigenschap van de kwantumtheorie is dat het nauwkeurig kopiëren van kwantuminformatie schijnbaar onmogelijk is. Vanuit het oogpunt van beveiliging is dit belangrijk omdat cybercriminelen die van plan zijn kwantumsleutels te kopiëren om berichten te versleutelen en te verzenden, uiteindelijk zouden mislukken, zelfs als ze toegang krijgen tot kwantumcomputers.

Het is belangrijk om hier te benadrukken dat een dergelijke high-end encryptie (d.w.z. een geavanceerde methode om geheime gegevens of sleutels om te zetten in een code die ongeautoriseerde toegang voorkomt) is het resultaat van natuurkundige wetten en niet van de wiskundig gescripte algoritmen die tegenwoordig worden gebruikt. Wiskundige versleuteling kan worden gekraakt met behulp van krachtige computers, maar het kraken van kwantumversleuteling vereist het herschrijven van de fundamentele wetten van de fysica.

Omdat kwantumversleuteling verschilt van de huidige versleutelingstechnieken, verschillen quantumcomputers op een zeer fundamenteel niveau van klassieke. Overweeg een analogie van een auto en een ossenwagen. Hier gehoorzaamt een auto aan bepaalde natuurkundige wetten die je in een snelle tijd op de gewenste bestemming brengen in vergelijking met de tegenhanger. Dezelfde filosofie geldt voor een kwantumcomputer en een klassieke computer.

Een kwantumcomputer maakt gebruik van de probabilistische aard van de kwantumfysica om berekeningen uit te voeren en gegevens op een unieke manier te verwerken. Het kan computertaken in een veel sneller tempo uitvoeren en ook een sprong maken in traditioneel onmogelijke concepten zoals die van kwantumteleportatie. Deze vorm van datatransmissie kan de weg vrijmaken voor het internet van de toekomst, namelijk het kwantuminternet.

Waarvoor kan een kwantumcomputer tegenwoordig worden gebruikt?

Quantumcomputers kunnen nuttig zijn voor R&D-organisaties, overheidsinstanties en academici instellingen, omdat ze kunnen helpen bij het oplossen van complexe problemen die de huidige computers moeilijk vinden leef ermee.

Een belangrijke toepassing zou de ontwikkeling van geneesmiddelen kunnen zijn, waarbij het naadloos zou kunnen simuleren en chemicaliën en moleculen analyseren aangezien de moleculen volgens dezelfde wetten van de kwantumfysica functioneren als de kwantum computers. Verder zou een effectieve simulatie van kwantumchemie mogelijk kunnen zijn, aangezien de snelste supercomputers het doel vandaag niet bereiken.

Ook kunnen kwantumcomputers complexe optimalisatieproblemen oplossen en helpen bij het snel zoeken naar ongesorteerde gegevens. Er zijn tal van toepassingen in dit opzicht, variërend van het sorteren van schijnbaar dynamische klimaat-, gezondheids- of financiële gegevens tot het optimaliseren van logistiek of verkeersstroom.

Quantumcomputers zijn ook goed in het herkennen van patronen in data, zoals bij machine learning-problemen. Bovendien kunnen kwantumcomputers een cruciale rol spelen bij het ontwikkelen van modellen om de toekomst te voorspellen, zoals bij weersvoorspellingen.

Voorbereiden op de Quantum Toekomst

Terwijl de race voor een kwantumtoekomst centraal staat, investeren investeerders en overheidsinstanties miljarden dollars in kwantum-R&D. Er is al een wereldwijd communicatienetwerk geïmplementeerd dat gebruikmaakt van op satellieten gebaseerde kwantumsleuteldistributie, waarmee de weg wordt uitgestippeld voor verdere ontwikkelingen.

Bedrijven zoals Google, Amazon, Microsoft, IBM en anderen doen zware investeringen in de ontwikkeling van kwantumcomputerbronnen, d.w.z. hardware en software.

Volgens Kosmos, heeft een team van onderzoekers in China een kwantumcomputer gebouwd die een complexe berekening in iets meer dan 60 minuten dat minstens 8 jaar of langer zou hebben geduurd voordat een klassieke computer computer compleet.

Het is een hoogtepunt van de ontwikkelingen op het gebied van kwantumcomputers die de afgelopen twee jaar hebben plaatsgevonden. Er wordt aangenomen dat de wetenschappelijke gemeenschap eindelijk het ongrijpbare "kwantumvoordeel" heeft bereikt - waar quantum computing is computing in een positie om het meest geavanceerde probleem op te lossen dat bij klassieke computers letterlijk onpraktische tijd zou kosten om te doorgronden.

De kwantummijlpaal werd voor het eerst bereikt door Google in 2019 waar ze qubits gebruikten die stroom gebruikten om berekeningen uit te voeren. Later in 2020 gebruikte het Chinese team fotonische qubits om het proces te versnellen. Nu, in 2021, heeft een ander Chinees team (onder leiding van Jian-Wei Pan van de University of Science and Technology of China in Shanghai) Google opnieuw ingehaald.

In een onderzoekspaper gepubliceerd op pre-print server ArXiv, onthulde het bijdragende onderzoeksteam hun bevindingen voor kwantumvoordeel, waarbij ze supergeleidende qubits gebruikten op een kwantumprocessor genaamd Zuchongzhi die uit 66 qubits bestaat. Het team toonde aan dat Zuchongzhi 56 qubits kon manipuleren om een ​​rekenprobleem aan te pakken dat erop gericht was de kracht van de computers te testen.

De onzekerheid omarmen

De snelle ontwikkeling in de kwantumtechnologiewereld in de afgelopen vijf jaar was behoorlijk opwindend. Volgens De Quantum Daily, zal de kwantumindustrie naar verwachting tegen het einde van 2030 een waarde van meerdere miljarden dollars hebben. Hoewel er verschillende praktische uitdagingen zijn die moeten worden overwonnen voordat een dergelijke grootschalige implementatie kan plaatsvinden, lijkt de toekomst rooskleurig.

Gelukkig werpt de kwantumtheorie licht op de heldere kant van "onvoorspelbaarheid". Zoals de theorie gaat, kunnen twee qubits met elkaar worden vergrendeld met een kans dat elke qubit blijft individueel onbepaald, maar is in sync met de andere wanneer bekeken als een eenheid - wat inhoudt dat beide zijn 0 of 1.

Deze individuele onvoorspelbaarheid en gecombineerde zekerheid wordt "verstrengeling" genoemd - een handig hulpmiddel voor de meeste kwantumcomputeralgoritmen van tegenwoordig. Door voorzichtig met onzekerheid om te gaan, kunnen organisaties dus in vorm komen om de kwantumtoekomst te omarmen.

Nanocomputing: kunnen computers echt microscopisch zijn?

Computers worden kleiner, maar zullen ze ooit zo klein zijn dat ze met het blote oog onzichtbaar zijn?

Lees volgende

Over de auteur

Uitvouwen om het volledige verhaal te lezen