Quantum computing.
Van alle nieuwe technologieën, waar je tegenwoordig veel over hoort, is de quantumcomputer minder bekend. Voor bedrijven biedt quantumcomputing mooie kansen maar ook potentiële risico’s. In deze blog worden de mogelijkheden van de onvoorstelbaar krachtige computer besproken.
De quantumcomputer
De quantumcomputer is een rekenbeest die zijn weerga niet kent. Het is een van de indrukwekkendste, mooiste en meest breinbrekende uitkomsten van jarenlange expedities door het quantum domein. De wereldwijde race naar de ontwikkeling van de quantumcomputer beleeft zijn hoogtepunt; veel Amerikaanse grootmachten zoals Google, IBM, Microsft en Intel doen mee.
Zoals het er nu naar uitziet, zal de quantumcomputer deuren openen naar mogelijkheden die nu nog ondenkbaar zijn. Zo kan de quantumcomputer de perfecte samenstelling van medicijnen uitrekenen en onderzoeken welk materiaal bij kamertemperatuur geleidend is. Beide uitkomsten hebben een positieve uitwerking op mens en maatschappij.
Hoe het begon
De ontdekking van de quantumcomputer is een doorbraak waar de wereld al sinds 1981 op wacht. In dat jaar opperde de beroemde fysicus Richard Feynman voor het eerst het idee dat je de vreemde eigenschappen van de quantummechanica kunt uitbuiten om ingewikkelde berekeningen te doen. Quantummechanica is een tak van natuurwetenschap die zich focust op het gedrag van atomaire en subatomaire deeltjes (Quantum is het latijnse woord voor hoeveelheid). Dat uitbuiten van quantummechanica begint bij de zogeheten qubits (quantumbits of qbits), de quantumversie van de nullen en enen van digitale informatie.
Quantumsuperpositie
Klassieke computers rekenen met normale bits, waarbij elke bit staat voor een 0 of 1 (wel of niet, aan of uit). Een qubit kan een 0, 1 of een quantumsuperpositie innemen. Superpositie zorgt ervoor dat voorwerpen 2 eigenschappen kunnen hebben; eigenschappen die elkaar normaal gesproken uitsluiten. Wij zijn als mens tenslotte gewend aan de wereld van alledag, waarin iets zwart is, of wit.
Een qubit hoeft dus niet óf een 0 óf een 1 zijn, maar kan ook 0 en 1 tegelijk zijn. Deze eigenschap suggereert dat quantumcomputers efficiënter kunnen rekenen, maar de doorslag hiervoor wordt pas echt gegeven door de 2e quantumkracht; verstrengeling.
Quantumverstrengeling
Een andere belangrijke karaktertrek die de quantumcomputer uniek maakt ten opzichte van de klassieke computer, is het fenomeen quantumverstrengeling. Wanneer 2 deeltjes verstrengeld raken, betekent dat zij hun quantumeigenschappen delen en daardoor een bepaalde band met elkaar hebben en houden, ongedacht de onderlinge afstand. De waarde die de ene qubit kan aannemen, is afhankelijk van de waarde van de ander. Bovendien delen verstrengelde qubits hun superposities, zodat er één enkele superpositie ontstaat van alle mogelijke combinaties.
Zo kunnen dat bij 2 qubits bijvoorbeeld vier mogelijkheden zijn: 0-0, 0-1, 1-0 en 1-1. De twee Qubits zitten dankzij de combinaties van verstrengelingen en superposities in alle vier de mogelijkheden tegelijk. Als je vervolgens een berekening loslaat op één van beide qubits, reken je daardoor ook een beetje met de andere qubit. Dat zelfde principe geldt niet alleen voor een of twee, maar ook voor 50, 500 of 5000 qubits. Er is een formule om de kracht van de quantumcomputer in klassieke bits uit te drukken. Deze formule stelt dat qubits samen net zoveel berekeningen kunnen uitvoeren als 2 tot de macht N, waarin N staat voor het aantal klassieke bits.
De mogelijkheden van de quantumcomputer
Al die verstrengelde qubits samen, kunnen zich construeren tot een buitengewoon sterke parallelle processor met een enorme rekenkracht. Een quantumcomputer met honderd qubits heeft een rekenkracht van 2 tot de macht 100 klassieke bits. Maar wat zijn de mogelijkheden van deze enorme rekenmachine?
Een quantumcomputer kan gebruikt worden om gigantische hoeveelheden data te doorzoeken en te analyseren. Voor farmaceutische onderzoeken, klimaatvoorspellingen en ruimte-onderzoeken kan de quantumcomputer een uitkomst bieden. Veel experimenten hoeven niet meer door mensen worden uitgevoerd, maar kunnen digitaal gesimuleerd worden. Daarnaast kan encryptie sterk verbeterd worden met behulp van de quantumcomputer.
Het toepassen van encryptie wordt nu toegepast door twee zeer grote priemgetallen met elkaar te vermenigvuldigen, om daarna de versleuteling op te hangen aan het product. Voor een klassieke computer kost het veel tijd om deze versleuteling te ontbinden in de twee oorspronkelijke priemgetallen. Nieuwe procedures zullen moeten worden uitgestippeld om informatie en gegevens op deze manier te versleutelen en ontsluiten.
Mochten hackers een quantumcomputer weten te bemachtigen, dan kunnen zij (eenvoudig) klassieke encrypties kraken. Geheime diensten zouden problemen kunnen krijgen met opgeslagen (afgeluisterde) data. Tot nu toe gebruiken geheime diensten RSA-encryptie om data voor langere tijd veilig op te slaan.
De doorbraak van de quantumcomputer
Veel wetenschappers, natuurkundigen en academici hebben zich als doel gesteld om een doorbraak te forceren in de ontwikkeling van de quantumcomputer. Één van de bedrijven die daaraan werkt is Qutech, een Nederlands bedrijf. QuTech werkt aan een testcomputer met 17 qubits die volgens het lab in 2020 klaar moet zijn. De 17 qubits maken de testcomputer nog niet sterker dan de rekenkracht van de klassieke computer. Het doel van Qutech is om de 17 qubits zo te bouwen, dat het een stabiele basis vormt om later op te schalen naar meerdere qubits. De technologische en wetenschappelijk basis is daarmee gelegd.
Meer lezen over de quantumcomputer?
Ben je geïnteresseerd geraakt in de quantumcomputer? Hieronder zetten we een aantal toegankelijke boeken voor je op een rijtje, die je kunt lezen om je verder te verdiepen in de quantumcomputer en de quantumtheorie.
De Quantumcomputer – George van Hal
Met het toonaangevende quantumcomputerlab QuTech aan de TU Delft en het unieke quantumsoftware-instituut QuSoft in Amsterdam loopt Nederland voorop in de ontwikkeling van de quatumcomputer; hét rekenbeest van de toekomst.
Dit boek in pocketformaat legt in heldere en duidelijke taal uit wat de quantumcomputer is en wat hij doet. Het geeft een toegankelijke inleiding op de spookachtige natuurwetten waarmee deze nieuwe quantumcomputer rekent.
Het Quantumtijdperk – Brian Clegg
Door de quantumcomputer zijn we in een nieuw tijdperk beland; we kenden al het stenen en bronzen tijdperk, maar we leven nu in het quantumtijdperk. Wetenschapsauteur Brian Clegg laat in dit zien hoe de quantummechanica verantwoordelijk is voor dertig procent van onze huidige economie.
Clegg verheldert de mysterieuze concepten die daarachter schuilen, van het gedrag van atomen tot de quantumwerking van bijvoorbeeld je smartphone. Lees dit boek en begin goed voorbereid aan het nieuwe quantumtijdperk.
Echt Quantum – Martijn van Calmthout
Om de quantumcomputer goed te begrijpen, is het interessant om ook meer te leren over hoe quantummechanica werkt en hoe de quantumtheorie in elkaar zit. Dit boek van Martijn van Calmthout legt dat uit. In ‘Echt quantum’ draait het om de vraag hoe een esoterische theorie van een handvol geniale geleerden uiteindelijk de hele wereld op zijn kop kon zetten.
Waarom is de quantumtheorie zo anders dan alles wat we kennen? Maar ook: waarom blijkt hij gaandeweg veel bruikbaarder dan gedacht. En wat zegt dat over de wereld waarin we leven? Is dat niet een quantumwereld geworden?
De daadwerkelijke doorbraak van de quantumcomputer laat waarschijnlijk nog een poos op zich wachten. Wanneer die doorbraak komt, weet niemand. Maar óf zo’n computer er gaat komen, is zeer waarschijnlijk. Zodra dat gebeurt, zal het onze huidige tijd volledig op zijn kop zetten.
