Bartlomiej K. Wroblewski / Shutterstock
Google en de XPrize Foundation hebben een wedstrijd ter waarde van 5 miljoen US dollar (4 miljoen pond) uitgeschreven om echte toepassingen voor kwantumcomputers te ontwikkelen die de maatschappij ten goede komen – bijvoorbeeld door de voortgang van een van de Duurzame Ontwikkelingsdoelen van de VN te versnellen. De principes van kwantumfysica suggereren dat kwantumcomputers zeer snelle berekeningen kunnen uitvoeren op bepaalde problemen, dus deze wedstrijd kan het aantal toepassingen uitbreiden waarbij ze een voordeel hebben ten opzichte van conventionele computers.
In ons dagelijks leven kan de manier waarop de natuur werkt over het algemeen beschreven worden door wat we klassieke natuurkunde noemen. Maar de natuur gedraagt zich heel anders op zeer kleine kwantumschalen – kleiner dan de grootte van een atoom.
De race om kwantumtechnologie te gebruiken kan worden gezien als een nieuwe industriële revolutie, waarbij apparaten die gebruik maken van de eigenschappen van klassieke natuurkunde worden vervangen door apparaten die gebruik maken van de vreemde en wonderlijke eigenschappen van kwantummechanica. Wetenschappers zijn al tientallen jaren bezig om nieuwe technologieën te ontwikkelen door deze eigenschappen te benutten.
Gezien hoe vaak ons verteld wordt dat kwantumtechnologieën ons dagelijks leven zullen revolutioneren, ben je misschien verbaasd dat we nog steeds op zoek moeten naar praktische toepassingen door een prijs uit te loven. Maar terwijl er talloze voorbeelden zijn van succesvolle toepassingen van kwantumeigenschappen voor verbeterde precisie in detectie en timing, is er een verrassend gebrek aan vooruitgang in de ontwikkeling van kwantumcomputers die hun klassieke voorgangers overtreffen.
Het belangrijkste knelpunt dat deze ontwikkeling in de weg staat, is dat de software – die gebruik maakt van kwantumalgoritmen – een voordeel moet laten zien ten opzichte van computers die op kwantumalgoritmen zijn gebaseerd.
een voordeel moet hebben ten opzichte van computers die gebaseerd zijn op klassieke fysica. Dit staat algemeen bekend als “kwantumvoordeel”.
Een cruciale manier waarop quantum computing verschilt van klassieke computing is door het gebruik van een eigenschap die bekend staat als “verstrengeling”. Klassieke computers gebruiken “bits” om informatie weer te geven. Deze bits bestaan uit enen en nullen, en alles wat een computer doet bestaat uit reeksen van deze enen en nullen. Maar kwantumrekenen staat toe dat deze bits zich in een “superpositie” van enen en nullen bevinden. Met andere woorden, het is alsof deze enen en nullen tegelijkertijd voorkomen in de kwantumbit, of qubit.
Het is deze eigenschap die het mogelijk maakt om rekentaken in één keer uit te voeren. Vandaar de overtuiging dat quantum computing een significant voordeel kan bieden ten opzichte van klassieke computing, omdat het in staat is om veel rekentaken tegelijkertijd uit te voeren.
Lees meer:
Wat is kwantumvoordeel? Een wetenschapper op het gebied van kwantumcomputers legt een naderende mijlpaal uit die de komst van extreem krachtige computers markeert
Opmerkelijke kwantumalgoritmen
Hoewel het gelijktijdig uitvoeren van veel taken zou moeten leiden tot een prestatieverhoging ten opzichte van klassieke computers, is het in de praktijk brengen hiervan moeilijker gebleken dan de theorie doet vermoeden. Er zijn eigenlijk maar een paar opmerkelijke kwantumalgoritmen die hun taken beter kunnen uitvoeren dan die met klassieke fysica.
Yurchanka Siarhei / Shutterstock
De meest opvallende zijn het BB84 protocol, ontwikkeld in 1984, en het algoritme van Shor, ontwikkeld in 1994, die beide gebruik maken van verstrengeling om beter te presteren dan klassieke algoritmen voor bepaalde taken.
Het BB84 protocol is een cryptografisch protocol – een systeem voor het verzekeren van veilige, private communicatie tussen twee of meer partijen dat veiliger wordt geacht dan vergelijkbare klassieke algoritmen.
Het algoritme van Shor gebruikt verstrengeling om aan te tonen hoe de huidige klassieke versleutelingsprotocollen gebroken kunnen worden, omdat ze gebaseerd zijn op de factorisatie van zeer grote getallen. Er is ook bewijs dat het bepaalde berekeningen sneller kan uitvoeren dan vergelijkbare algoritmen die zijn ontworpen voor conventionele computers.
Ondanks de superioriteit van deze twee algoritmen ten opzichte van conventionele algoritmen, zijn er weinig voordelige kwantumalgoritmen gevolgd. Onderzoekers hebben het echter niet opgegeven om te proberen ze te ontwikkelen. Momenteel zijn er een paar hoofdrichtingen in het onderzoek.
Potentiële kwantumvoordelen
De eerste is om kwantummechanica te gebruiken om te helpen bij wat grootschalige optimalisatietaken worden genoemd. Optimalisatie – het vinden van de beste of meest effectieve manier om een bepaalde taak op te lossen – is van vitaal belang in het dagelijks leven, van het verzekeren dat verkeersstromen effectief verlopen, tot het beheren van operationele procedures in fabriekspijplijnen, tot streamingdiensten die beslissen wat ze elke gebruiker aanbevelen. Het lijkt duidelijk dat kwantumcomputers bij deze problemen kunnen helpen.
Als we de rekentijd kunnen verminderen die nodig is om de optimalisatie uit te voeren, zou dat energie kunnen besparen, waardoor de koolstofvoetafdruk van de vele computers die deze taken momenteel over de hele wereld uitvoeren en de datacenters die hen ondersteunen, kleiner wordt.
Een andere ontwikkeling die verstrekkende voordelen zou kunnen bieden, is het gebruik van kwantumrekenen om systemen te simuleren, zoals combinaties van atomen, die zich gedragen volgens de kwantummechanica. Het begrijpen en voorspellen hoe kwantumsystemen in de praktijk werken, zou bijvoorbeeld kunnen leiden tot een beter ontwerp van medicijnen en medische behandelingen.
Kwantumsystemen zouden ook kunnen leiden tot verbeterde elektronische apparaten. Naarmate computerchips kleiner worden, krijgen kwantumeffecten vat op de apparaten, waardoor ze mogelijk minder goed gaan presteren. Een beter fundamenteel begrip van kwantummechanica zou dit kunnen helpen voorkomen.
Hoewel er veel is geïnvesteerd in het bouwen van kwantumcomputers, is er minder aandacht geweest om ervoor te zorgen dat het publiek er direct baat bij heeft. Daar lijkt nu echter verandering in te komen.
Of we binnen 20 jaar allemaal kwantumcomputers in huis zullen hebben, blijft twijfelachtig. Maar gezien de huidige financiële toewijding om van kwantumrekenen een praktische realiteit te maken, lijkt het erop dat de maatschappij eindelijk in een betere positie is om er gebruik van te maken. Welke vorm zal dit precies aannemen? Er staat 5 miljoen dollar op het spel om daar achter te komen.
Adam Lowe werkt niet voor, heeft geen adviesfuncties, bezit geen aandelen in en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat zouden hebben bij dit artikel en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten zijn academische aanstelling.
