Hoe Quantum Mechanics de Tech-industrie zal veranderen

Richard Feynman zei ooit: “Als je denkt dat je quantummechanica begrijpt, dan begrijp je quantummechanica niet.” Dat mag waar zijn, maar het betekent niet dat we het niet kunnen proberen. Per slot van rekening, waar zouden we zijn zonder onze aangeboren nieuwsgierigheid?

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

De basis leggen

We beginnen met een korte gedachte-experiment. De Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger (SDGR ) wil dat je je een kat in een gesloten doos voorstelt. Tot zover, tot zover. Stel je nu voor dat er een flesje met een dodelijk middel in de doos zit. Wat is er met de kat gebeurd? We kunnen het 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 Schrödingers kat-paradox genoemd, en het legt perfect één van de twee belangrijkste fenomenen van de quantummechanica uit.

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

Nu worden de dingen nog ingewikkelder, maar laat je niet ontmoedigen – zelfs Einstein werd door het idee overrompeld. 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 één verstrengeld deeltje een onmiddellijke, voorspelbare reactie van het resterende deeltje veroorzaakt. Om het in perspectief te plaatsen, laten we twee verstrengelde munten in de lucht gooien. Vervolgens laten we het resultaat observeren. Landde de eerste munt op kop? Dan moet de meting van de resterende munt noodzakelijkerwijs op munt zijn. Met andere woorden, wanneer ze worden waargenomen, counteren verstrengelde deeltjes elkaars metingen. Geen reden om bang te zijn, echter – entanglement is niet zo gewoon. 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 quantumcomputer het antwoord heeft. In een digitale computer heeft het systeem bits nodig om zijn verwerkingscapaciteit te vergroten. Dus, om de verwerkingscapaciteit te verdubbelen, zou je eenvoudigweg het aantal bits verdubbelen – dit is niet helemaal hetzelfde bij quantumcomputers.

Een quantumcomputer gebruikt qubits, de basiseenheid van quantuminformatie, om verwerkingsmogelijkheden te bieden die niet eens worden geëvenaard door de krachtigste supercomputers ter wereld. Hoe? Superposed qubits kunnen tegelijkertijd een aantal mogelijke resultaten (of staten, om consistent te zijn met onze vorige segmenten) aanpakken. In vergelijking kan een digitale computer maar één berekening tegelijk uitvoeren. Bovendien kunnen we, door entanglement, de kracht van een quantumcomputer 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 quantum-eigenschappen doen 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 bij technologie die op quantummechanica is gebaseerd.

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

Een (nieuwe) wereld van mogelijkheden

Weersvoorspelling, financiële en moleculaire modellering, deeltjesfysica… de mogelijkheden voor quantumberekeningen zijn zowel enorm als veelbelovend.

Nog een van de meest verleidelijke vooruitzichten is misschien dat van quantum-kunstmatige intelligentie. Dit komt doordat quantumsystemen 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, en omvat verschillende gebieden en industrieën – van AI in de automotive tot medisch onderzoek. Lockheed Martin (LMT ), de Amerikaanse lucht- en ruimtevaartgigant, was snel om de voordelen te realiseren en leidt al het voorbeeld met zijn quantumcomputer, die het gebruikt voor autopilotssoftwaretesten. Neem nota.

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

Theoretisch lost Quantum Key Distribution dit op met een versleutelingssysteem op basis van superpositie. Stel je voor dat je gevoelige informatie naar een vriend wilt verzenden. Daarvoor 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 zouden zijn waargenomen, zouden zowel jij als je vriend een onverwachte fout in de bewerking hebben gemeld. Om het maximale voordeel van QKD te behalen, zouden de versleutelingssleutels hun quantum-eigenschappen te allen tijde moeten behouden. Makkelijker gezegd dan gedaan.

Voedsel voor gedachten

Het houdt daar niet op. De slimste geesten over de hele wereld proberen constant entanglement te gebruiken als een vorm van quantumcommunicatie. 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, deze experiment schetst het soort infrastructuur dat we in de toekomst kunnen gebruiken om quantumnetwerken te beveiligen.

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

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