Hoe Quantum Mechanics de Tech Industrie zal Veranderen

Richard Feynman zei ooit: “Als je denkt dat je quantum mechanics begrijpt, dan begrijp je quantum mechanics niet.” Terwijl dat misschien waar is, betekent het niet dat we het niet kunnen proberen. Immers, waar zouden we zijn zonder onze aangeboren nieuwsgierigheid?

Om de kracht van het onbekende te begrijpen, gaan we de sleutelbegrippen achter quantumfysica ontwarren – twee om precies te zijn (oef!). Het is allemaal nogal abstract, maar dat is goed nieuws voor ons, want je hoeft geen Nobelprijswinnende theoretisch fysicus te zijn om te begrijpen wat er gaande is. En wat gebeurt er? Nou, laten we dat uitzoeken.

De basis leggen

We beginnen met een korte gedachte-experiment. De Oostenrijkse fysicus Erwin Schrödinger wil dat je je een kat in een afgesloten doos voorstelt. Tot nu toe, tot nu toe. Stel je nu een flesje met een dodelijk middel voor dat in de doos wordt geplaatst. Wat is er met de kat gebeurd? We kunnen dat niet met zekerheid zeggen. Dus, totdat de situatie wordt waargenomen, d.w.z. we de doos openen, is de kat zowel dood als levend, of in meer wetenschappelijke termen, het bevindt zich in een superpositie van staten. Dit beroemde gedachte-experiment wordt de Schrödinger’s cat paradox genoemd en het verklaart perfect een van de twee hoofdverschijnselen van quantum mechanics.

Superpositie dicteert dat, net als onze geliefde kat, een deeltje bestaat in alle mogelijke staten totdat het moment dat het wordt gemeten. “Waarnemen” van het deeltje vernietigt onmiddellijk zijn quantum-eigenschappen en voilà, het wordt opnieuw beheerst door de regels van de klassieke mechanica.

Nu worden de dingen nog ingewikkelder, maar laat je niet ontmoedigen – zelfs Einstein was achteruit gezet door het idee. Omschreven door de man zelf als “spookachtige actie op afstand”, is entanglement een verbinding tussen een paar deeltjes – een fysieke interactie die resulteert in hun gedeelde staat (of het ontbreken daarvan, als we uitgaan van superpositie).

Entanglement dicteert dat een verandering in de staat van een van de verstrengelde deeltjes een onmiddellijke, voorspelbare reactie van het resterende deeltje veroorzaakt. Om dingen in perspectief te plaatsen, laten we twee verstrengelde munten in de lucht gooien. Vervolgens laten we het resultaat zien. Landde de eerste munt op kop? Dan moet de meting van de resterende munt noodzakelijkerwijs kruis zijn. Met andere woorden, wanneer ze worden waargenomen, tegenwerken verstrengelde deeltjes elkaars metingen. Geen reden om bang te zijn, echter – entanglement is niet zo gebruikelijk. Nog niet, tenminste.

De waarschijnlijke held

“Wat is het nut van al deze kennis als ik het niet kan gebruiken?”, vraag je je misschien af. Wat je vraag ook is, de kans is groot dat een quantum computer het antwoord heeft. In een digitale computer moet het systeem bits verhogen om de verwerkingskracht te vergroten. Dus, om de verwerkingskracht te verdubbelen, zou je eenvoudigweg het aantal bits verdubbelen – dit is helemaal niet vergelijkbaar met quantum computers.

Een quantum computer gebruikt qubits, de basiseenheid van quantum-informatie, om verwerkingsmogelijkheden te bieden die niet zijn geëvenaard door de meest krachtige supercomputers ter wereld. Hoe? Superposed qubits kunnen een aantal mogelijke resultaten (of staten, om consistent te zijn met onze vorige segmenten) tegelijk aanpakken. In vergelijking kan een digitale computer maar één berekening tegelijk uitvoeren. Bovendien kunnen we door entanglement de kracht van een quantum computer exponentieel verhogen, vooral in vergelijking met de efficiëntie van traditionele bits in een digitale machine. Om de omvang te visualiseren, denk aan de enorme hoeveelheid verwerkingskracht die elk qubit biedt en verdubbel die nu.

Niets is perfect

Maar er is een addertje onder het gras – zelfs de kleinste trillingen en temperatuursveranderingen, door wetenschappers “ruis” genoemd, kunnen ervoor zorgen dat quantum-eigenschappen afnemen en uiteindelijk helemaal verdwijnen. Terwijl je dit niet in real-time kunt observeren, zal je een berekeningsfout ervaren. Het verval van quantum-eigenschappen wordt decoherentie genoemd en het is een van de grootste tegenvallers als het gaat om technologie die afhankelijk is van quantum mechanics.

In een ideale situatie is een quantum processor volledig geïsoleerd van zijn omgeving. Om dit te doen, gebruiken wetenschappers gespecialiseerde koelkasten, bekend als cryogene koelkasten. Deze cryogene koelkasten zijn kouder dan de interstellaire ruimte en ze stellen onze quantum processor in staat om elektriciteit te geleiden met vrijwel geen weerstand. Dit wordt een supergeleidende staat genoemd en het maakt quantum computers extreem efficiënt. Als gevolg daarvan heeft onze quantum processor slechts een fractie van de energie nodig die een digitale processor zou gebruiken, waardoor het veel meer kracht genereert en aanzienlijk minder warmte produceert in het proces. In een ideale situatie, tenminste.

Een (nieuwe) wereld van mogelijkheden

Weersvoorspelling, financieel en moleculair modelleren, deeltjesfysica… de mogelijkheden voor quantum berekening zijn zowel enorm als winstgevend.

Nog steeds is een van de meest verleidelijke vooruitzichten misschien die van quantum kunstmatige intelligentie. Dit komt omdat quantum systemen uitstekend zijn in het berekenen van waarschijnlijkheden voor veel mogelijke keuzes – hun vermogen om continue feedback te geven aan intelligente software is ongeëvenaard in de huidige markt. De geschatte impact is onmetelijk, zich uitstrekkend over branches en industrieën – van AI in de automotive tot medisch onderzoek. Lockheed Martin, de Amerikaanse lucht- en ruimtevaartgigant, was snel om de voordelen te realiseren en leidt al het voorbeeld met zijn quantum computer, die het gebruikt voor autopilot software testen. Neem nota’s.

De principes van quantum mechanics worden ook gebruikt om problemen in cybersecurity aan te pakken. RSA (Rivest-Shamir-Adleman) cryptografie, een van de meest gebruikte methoden voor gegevensversleuteling ter wereld, is afhankelijk van de moeilijkheid van het factoriseren (zeer) grote priemgetallen. Terwijl dit met traditionele computers kan werken, die niet erg goed zijn in het oplossen van multifactorproblemen, zullen quantum computers deze versleutelingen gemakkelijk kraken dankzij hun unieke vermogen om meerdere resultaten tegelijk te berekenen.

Theoretisch lost Quantum key distribution dit op met een superpositie-gebaseerd versleutelingssysteem. Stel je voor dat je gevoelige informatie naar een vriend wilt verzenden. Om dit te doen, maak je een versleutelingssleutel met qubits, die vervolgens naar de ontvanger worden verzonden via een optische kabel. Als de gecodeerde qubits door een derde partij waren waargenomen, zouden zowel jij als je vriend een onverwachte fout in de bewerking hebben ontvangen. Echter, om het maximale voordeel van QKD te behalen, zouden de versleutelingssleutels hun quantum-eigenschappen op alle momenten moeten behouden. Makkelijker gezegd dan gedaan.

Voer voor gedachten

Het houdt daar niet op. De slimste geesten over de hele wereld proberen constant om entanglement als een vorm van quantum communicatie te gebruiken. Tot nu toe konden Chinese onderzoekers succesvol verstrengelde paren van fotonen via hun Micius satelliet over een recordafstand van 745 mijl verzenden. Dat is het goede nieuws. Het slechte nieuws is dat, van de 6 miljoen verstrengelde fotonen die elke seconde worden verzonden, slechts één paar de reis overleefde (dankzij decoherentie). Een ongelofelijke prestatie niettemin, dit experiment schetst de soort infrastructuur die we in de toekomst kunnen gebruiken om quantum netwerken te beveiligen.

De quantum race zag onlangs een doorbraak van QuTech, een onderzoekscentrum van de TU Delft in Nederland – hun quantum systeem werkt bij een temperatuur van meer dan één graad warmer dan het absolute nulpunt (-273 graden Celsius).

Terwijl deze prestaties voor jou en mij misschien onbeduidend lijken, is de waarheid dat dergelijk baanbrekend onderzoek ons stap voor stap dichter bij de technologie van morgen brengt. Één ding blijft onveranderd, en dat is de verblindende realiteit dat degene die erin slaagt om de kracht van quantum mechanics succesvol te benutten, de overhand zal hebben over de rest van de wereld. Hoe denk je dat ze het zullen gebruiken?