Wat zijn Quantum Computers?

Quantumcomputers hebben het potentieel om het aantal en de nauwkeurigheid van berekeningen aanzienlijk te verhogen, waardoor nieuwe toepassingen voor computers mogelijk worden en onze modellen van fysieke fenomenen worden verbeterd. Toch zijn veel mensen onzeker over hoe quantumcomputers zich onderscheiden van gewone computers, ondanks de toenemende media-aandacht. Laten we onderzoeken hoe quantumcomputers werken, enkele van hun toepassingen en hun toekomst.

Wat is een Quantum Computer?

Voordat we kunnen onderzoeken hoe quantumcomputers werken, moeten we eerst quantumcomputers definiëren. De korte definitie van een quantumcomputer is deze: een computer die op basis van quantummechanica complexe berekeningen kan uitvoeren met veel grotere efficiëntie dan traditionele computers. Dit is een korte definitie van quantumcomputers, maar we zullen wat tijd nemen om echt te begrijpen wat quantumcomputers onderscheidt van traditionele computers.

Gewone computers coderen informatie met een binaire systeem: elke bit van de data wordt weergegeven als een een of nul. Reeksen van enen en nullen worden aan elkaar gekoppeld om complexe stukken informatie te representeren, zoals tekst, afbeeldingen en audio. Toch kan de informatie in deze binaire systemen alleen worden opgeslagen als enen en nullen, wat betekent dat er een harde limiet is aan hoe data wordt weergegeven en geïnterpreteerd en dat, naarmate de data complexer wordt, deze noodzakelijkerwijs langer en langer wordt.

De reden waarom quantumcomputers efficiënter data kunnen opslaan en interpreteren, is omdat ze geen bits gebruiken om data te representeren, maar ” qubits“. Qubits zijn subatomaire deeltjes zoals fotonen en elektronen. Qubits hebben een paar interessante eigenschappen die handig zijn voor nieuwe berekeningsmethoden. Qubits hebben twee eigenschappen die computerengineers kunnen gebruiken: superposities en verstrengeling.

Quantumsuperposities laten qubits toe om niet alleen in de “een”-toestand of de “nul”-toestand te bestaan, maar langs een continuüm tussen deze toestanden, waardoor meer informatie kan worden opgeslagen met qubits. Ondertussen verwijst quantumverstrengeling naar een fenomeen waarbij paren van qubits kunnen worden gegenereerd en, als een qubit wordt gewijzigd, de andere qubit op een voorspelbare manier wordt gewijzigd. Deze quantum-eigenschappen kunnen worden gebruikt om complexe data op een efficiëntere manier te representeren en te structureren.

Hoe Werken Quantum Computers?

Quantum-“superposities” krijgen hun naam omdat ze op meer dan één positie tegelijk kunnen bestaan. Terwijl bits alleen in twee posities kunnen bestaan, kunnen qubits op meerdere toestanden tegelijk bestaan.

Dankzij het bestaan van quantumsuperposities kan een quantumcomputer veel verschillende mogelijke resultaten tegelijk berekenen. Zodra de berekeningen zijn voltooid, worden de qubits gemeten, wat een definitief resultaat oplevert door de ineenstorting van de quantumtoestand tot 0 of 1, waardoor het resultaat kan worden geïnterpreteerd door traditionele computers.

Quantumcomputersonderzoekers en -ingenieurs kunnen de positie van de qubits wijzigen door gebruik te maken van microgolven of precisielasers.

Computerengineers kunnen quantumverstrengeling gebruiken om de verwerkingssnelheid van computers aanzienlijk te verbeteren. Quantumverstrengeling verwijst naar het feit dat twee qubits op zo’n manier met elkaar kunnen worden verbonden dat het wijzigen van een qubit de andere qubit op een betrouwbare manier wijzigt. Het is niet volledig begrepen waarom qubits zo’n relatie kunnen aangaan of hoe dit fenomeen precies werkt, maar wetenschappers begrijpen het goed genoeg om het potentieel te benutten voor quantumcomputers. Door quantumverstrengeling kan de toevoeging van extra qubits aan een quantummachine de verwerkingssnelheid van een computer niet alleen verdubbelen, maar deze ook exponentieel schalen.

Als dit allemaal wat te abstract lijkt, kunnen we het nut van superposities verduidelijken door een doolhof voor te stellen. Een gewone computer moet elk pad van de doolhof proberen totdat hij een succesvolle route vindt. Een quantumcomputer kan echter alle verschillende paden tegelijk onderzoeken, omdat hij niet aan een bepaalde toestand is gebonden.

Alles bij elkaar genomen maken de eigenschappen van verstrengeling en superposities quantumcomputers nuttig omdat ze met onzekerheid om kunnen gaan, ze in staat zijn om meer mogelijke toestanden en resultaten te onderzoeken. Quantumcomputers zullen wetenschappers en ingenieurs helpen om situaties met veel variabelen beter te modelleren en te begrijpen.

Waar Worden Quantum Computers Voor Gebruikt?

Nu we een beter inzicht hebben in hoe quantumcomputers werken, laten we de mogelijke gebruiksgevallen voor quantumcomputers onderzoeken.

We hebben al verwezen naar het feit dat quantumcomputers traditionele berekeningen veel sneller kunnen uitvoeren. Quantumcomputertechnologie kan echter ook dingen bereiken die misschien niet mogelijk zijn of zeer onpraktisch zijn met traditionele computers.

Een van de meest veelbelovende en interessante toepassingen van quantumcomputers is in het veld van kunstmatige intelligentie. Quantumcomputers hebben de kracht om de modellen die door neurale netwerken zijn gemaakt te verbeteren, evenals de software die deze ondersteunt. Google (GOOGL ) gebruikt momenteel zijn quantumcomputers om te helpen bij de creatie van zelfrijdende voertuigen.

Quantumcomputers spelen ook een rol in de analyse van chemische interacties en reacties. Zelfs de meest geavanceerde normale computers kunnen alleen reacties tussen relatief eenvoudige moleculen modelleren, wat ze bereiken door de eigenschappen van de moleculen in kwestie te simuleren. Quantumcomputers stellen onderzoekers echter in staat om modellen te maken die exact dezelfde quantum-eigenschappen hebben als de moleculen die ze onderzoeken. Snellere, nauwkeurigere molecuulmodellering zou helpen bij de creatie van nieuwe therapeutische geneesmiddelen en nieuwe materialen voor gebruik in de productie van energietechnologie, zoals efficiëntere zonnepanelen.

Quantumcomputers kunnen ook worden gebruikt om het weer beter te voorspellen. Het weer is het resultaat van veel gebeurtenissen en de formules die worden gebruikt om weerspatronen te voorspellen zijn ingewikkeld en bevatten veel variabelen. Het kan erg lang duren om alle berekeningen uit te voeren die nodig zijn om het weer te voorspellen, waarbij het weer zelf kan veranderen. Gelukkig hebben de vergelijkingen die worden gebruikt om het weer te voorspellen een golfkarakter dat een quantumcomputer kan benutten. Quantumcomputers kunnen onderzoekers helpen om nauwkeurigere klimaatmodellen te maken, die nodig zijn in een wereld waarin het klimaat verandert.

Quantumcomputers en -algoritmen kunnen ook worden gebruikt om de gegevensprivacy van mensen te waarborgen. Quantumcryptografie maakt gebruik van het quantumonzekerheidsprincipe, waarbij elke poging om een object te meten ertoe leidt dat het object zelf wordt gewijzigd. Pogingen om communicatie af te tappen zouden de resulterende communicatie beïnvloeden en tekenen van manipulatie vertonen.

Toekomst van Quantum Computing

De meeste toepassingen van quantumcomputers zullen beperkt zijn tot academici en bedrijven. Het is onwaarschijnlijk dat consumenten / het algemene publiek quantum-smartphones krijgen, althans niet binnenkort. Dit komt omdat het gespecialiseerde apparatuur vereist om een quantumcomputer te bedienen. Quantumcomputers zijn zeer gevoelig voor storingen, aangezien zelfs de kleinste veranderingen in de omgevingsomstandigheden qubits kunnen doen verschuiven en uit de superpositietoestand doen verdwijnen. Dit heet decoherentie, en het is een van de redenen waarom vooruitgang in quantumcomputers zo langzaam lijkt te gaan in vergelijking met gewone computers. Quantumcomputers moeten meestal werken onder omstandigheden van extreem lage temperaturen, geïsoleerd van andere elektrische apparatuur.

Selfs met alle voorzorgsmaatregelen slaagt ruis er nog in om fouten in de berekeningen te maken, en onderzoekers zoeken naar manieren om qubits betrouwbaarder te maken. Om quantumsuprematie te bereiken, waarbij een quantumcomputer de kracht van een huidige supercomputer volledig overtreft, moeten qubits met elkaar worden verbonden. Een echt quantumsupreme computer kan duizenden qubits vereisen, maar de beste quantumcomputers van vandaag kunnen typisch alleen omgaan met ongeveer 50 qubits. Onderzoekers maken voortdurend vorderingen bij het creëren van meer stabiele en betrouwbare qubits. Deskundigen op het gebied van quantumcomputers voorspellen dat krachtige en betrouwbare quantumapparaten binnen een decennium hier kunnen zijn.