Kwantumheerschappij

Gepubliceerd op: 02/01/2020

Eind 2019 was er groots nieuws “Google reached Quantum Supremacy". Google heeft de eerste kwantumcomputer gebouwd die sneller is dan een “normale” computer Maar wat zijn kwantumcomputers nu eigenlijk? En hoe komt het dat ik ze nog niet kan bestellen op internet? In deze blog worden deze vragen beantwoord.

Onze huidige computers werken allemaal met bits. Bits kunnen of 1 of 0 zijn. De computer gebruikt de bits om berekeningen te maken. Computers zijn eigenlijk niks anders dan high-end rekenmachines: alles wat ze doen berekenen ze, van het internetverkeer tot pixels op het scherm. Kwantumcomputers, zoals te zien op de fotos, werken anders.

Theorie achter kwantumcomputers

Kwantumcomputers gebruiken een ander soort bits, namelijk ‘qubits’. Een qubit is niet zomaar 1 of 0, maar beide tegelijk. Of beter gezegd: een qubit is 1 met een zekere waarschijnlijkheid en 0 met een zekere waarschijnlijkheid. Dit noemen we superpositie en is de basis voor kwantumcomputers.

Dit verschil, tussen qubits in superpositie en bits, is een van de belangrijkste verschillen tussen normale en kwantumcomputers. Daarbij heeft de qubit nog een aantal bijzondere eigenschappen. In een computer is het duidelijk zichtbaar of een bit de waarde 0 of 1 heeft. In een kwantumcomputer is dat niet zomaar te zien. Om de waarde van een qubit te achterhalen, moet deze gemeten worden. Wanneer een qubit is gemeten, neemt hij een bepaalde waarde aan.

Een andere eigenschap van qubits is ‘entangelen’ kunnen worden. Twee entangled qubits zijn van elkaar afhankelijk. Als een qubit een bepaalde waarde aanneemt, dan is de waarde van de andere qubits te voorspellen.

Doordat qubits niet maar één waarde hebben en je ze ook nog met elkaar kunt entangelen, kun je er theoretisch sneller mee rekenen dan met een normale computer. Met een normale computer met 8 bits heb je 2ˆ8 = 256 bits aan rekenkracht. Bij een kwantumcomputer met 8 qubits is dit theoretisch 2ˆ(2ˆ8) = 1,2*10ˆ77 meer rekenkracht ten opzichte van een normale computer. Dat is ontelbaar veel meer. Het is belangrijk om hierbij te zeggen dat kwantumcomputers niet alle berekeningen sneller kunnen doen dan normale computers. Wat kunnen ze wel?

Toepassingen van kwantumcomputers

Met behulp van kwantumalgoritmes kunnen kwantumcomputers bepaalde wiskundige problemen oplossen. Op dit moment zijn er echter een beperkte aantal toepassingen voor die wiskunde problemen. Sterker nog, de problemen die de algoritmes op dit moment oplossen zijn eigenlijk geen problemen, maar eerder bedreigingen. Kwantumcomputers kunnen namelijk een deel van de veelgebruikte cryptografie breken. Dit betekent dat als er perfecte kwantumcomputers zouden bestaan, dat het internet verkeer, de blockchain, wachtwoorden of online opgeslagen bestanden niet meer vanzelfsprekend veilig zijn. De kwantumcomputer kan de versleuteling binnen een veel kortere tijd breken dan normale computers dat kunnen, wat een bedreiging vormt. Hierover en wat er tegen gedaan wordt, schrijf ik in een andere blog meer.

Een andere toepassingsvisie voor kwantumcomputers is voor simulatie. De simulatie van bijvoorbeeld het weer, nieuwe medicijnen en financiële modellen zou veel beter mogelijk zijn met kwantumcomputers. Deze visie op de toepassing van kwantumcomputers is helaas nog niet altijd haalbaar.

Theoretisch kunnen kwantumcomputers dus prachtige dingen. Helaas leven we nog niet in de ultieme (kwantum) wereld en daardoor werken de gemaakte kwantumcomputers nog niet optimaal.

Op een normale computer kun je bits en hun waarde erg lang bewaren. Fotos, filmpjes en e-mails worden jarenlang opgeslagen op de computer of in de cloud.

Qubits hebben daarentegen een erg korte levensduur, het gaat hier om microsecondes. Terwijl voor sommige kwantumberekeningen meer tijd nodig is dan dat de qubit bestaat. Ook is de entanglement tussen qubits niet optimaal, waardoor fouten in de waarde van de qubits kunnen ontstaan. Op een normale computer gaat er ook wel eens wat mis en krijgt een bit de verkeerde waarde. Echter hebben computers fout herstellende algoritmes om dit op te lossen zonder dat de gebruiker daar wat van merkt. Met kwantumcomputers is dit lastiger en door de korte levensduur van de qubits niet altijd mogelijk. Daarbij bestaat een kwantumcomputer niet simpelweg uit een ‘normale’ computer maar dan met kwantum. Een kwantumcomputer is een enorm apparaat in vergelijking met huidige computers. Een kwantumcomputer bestaat uit een chip met qubits, veel ‘normale’ computers, meetapparatuur en een koeling installatie.

Ondanks dat het bouwen van een kwantumcomputer niet zo eenvoudig is, zijn er aardig wat onderzoekers mee bezig. Nederland blijft niet achter, in Delft hebben ze een twintigtal kwantumcomputers staan bij QuTech: een samenwerking tussen TNO en de TU Delft. Ook grote partijen zoals Google en IBM zijn druk bezig met het bouwen deze kwantumcomputers.

Zoals in de inleiding van deze blog besproken, was er grote doorbraak door Google: “Quantum Supremacy”. Waar kwantumcomputers theoretisch altijd al sneller zijn geweest in bepaalde berekeningen dan normale computers, was het eerder nog niet mogelijk om deze ook daadwerkelijke te bouwen. Het is Google in oktober wel gelukt met hun 54 qubit kwantumcomputer “Sycamore”.

Kortom, er gebeurt van alles in de wereld van kwantumcomputers. Ze worden sneller, beter en de toepassingen van de computers worden reëler. Helaas zijn kwantumcomputers nog groot, foutgevoelig en werken ze niet zo makkelijk als onze normale computers. Er moet nog van alles gebeuren voordat we een kant-en-klare kwantumcomputer kunnen kopen op bol.com. Maar tot die tijd is het zeker nuttig om de kwantumwereld in de gaten te houden!