Hoe kwantumcomputers werken

Vorige keer bespraken we dat kwantumcomputers een revolutionaliserende rol hebben in machine learning, kunstmatige intelligentie, big data, en ook videoanalyse praktijken, omdat zij de potentie hebben om berekeningen veel sneller uit te voeren dan traditionele computers en zelfs de supercomputers van vandaag de dag. Deze keer duiken we wat dieper in de werking van deze computers.

De processor van een kwantumcomputer maakt gebruik van de principes van kwantummechanica, met de kwantumeffecten superpositie, verstrengeling en interferentie.

Superpositie

Traditionele computers maken gebruik van een geheugen dat informatie opslaat middels bits. Bits kunnen, net als een mens of voorwerp niet op twee plekken tegelijk zijn. Een bit is ofwel een 0 ofwel een 1 (aan of uit, ja of nee), maar nooit een 0 of 1 tegelijk.

Het geheugen van de kwantumcomputer maakt daarentegen gebruik van qubits. Qubits zijn nanodeeltjes en zijn wel in staat om op twee plekken tegelijk te zijn. Ze kunnen een superpositie aannemen en zijn dus kwantum. In superpositie heeft een qubit tegelijkertijd de binaire waarden 0 én 1, in plaats van 0 óf 1. Eén qubit heeft dus eigenlijk de waarde van twee bits.

De rekenkracht stijgt exponentieel met het aantal qubits. Als het aantal qubits n is, dan zal de processor in één keer voor alle mogelijke inputs (2^n) dezelfde berekening uitvoeren. Bij 8 qubits is dit dus voor 256 inputs. Een traditionele computer zou hier 256 keer dezelfde handeling voor moeten verrichten. Dit betekent dat iets waar een gewone computer een paar jaar op moet rekenen, door een kwantumcomputer in een paar seconden uitgerekend kan worden.

Kwantumverstrengeling

Een andere eigenschap die kwantumcomputers uniek maakt ten opzichte van traditionele computers, is het fenomeen kwantumverstrengeling. Kwantumverstrengeling van twee gepaarde elementaire deeltjes betekent dat er een verbinding bestaat tussen deze twee deeltjes, die onafhankelijk is van de onderlinge afstand. Wanneer de staat van een van de deeltjes gemeten wordt, weet men onmiddellijk de staat van het andere deeltje, ongeacht de afstand. Bijvoorbeeld: als het ene deeltje omhoog draait, dan draait het andere deeltje omlaag.

Interferentie

Bij interferentie kan het golfkarakter van een kwantumdeeltje versterkt of uitgedoofd worden door een ander kwantumdeeltje. Hierdoor kan je met een kwantumcomputer bijvoorbeeld goed zoeken in een ongeordend databestand, zoals bijvoorbeeld het zoeken van een naam bij een telefoonnummer. De amplitudes van de toestanden die bij de namen horen die interessant zijn, groeien dan veel sneller dan de andere.

Door deze bijzondere eigenschappen van de kwantumcomputer is deze in staat om enorm snel parallelle berekeningen uit te voeren op een dataset die zelfs met de snelste conventionele computers niet te verwerken is.

Kwantummechanica is moeilijk te begrijpen

Het moeilijke van kwantummechanica is dat men niet kan zien wat er gebeurt, omdat we als mens niet in staat zijn om kwantum te kijken. Dus niemand begrijpt precies hoe het werkt, maar het werkt.

Onderzoeker Leo Kouwenhoven legt aan Een Vandaag de werking van de kwantumcomputer uit aan de hand van een doolhof. “De kwantumcomputer heeft een helikopterview en zoekt van boven naar de snelste uitgang. De qubits zijn tijdens de meting overal tegelijk in het doolhof aanwezig en daardoor is de snelste route in een fractie van een seconde gevonden. Maar als we als wetenschappers zouden meegluren staan we meteen weer in dat tweedimensionale doolhof en is de helikopterview verdwenen. Dus we kunnen pas meekijken als de uitgang is gevonden. Dat maakt het ongrijpbaar maar o zo fascinerend.”

Kouwenhoven verwacht dat we dichter bij de natuur komen door de kwantumcomputer, omdat elke chemische reactie in ons lichaam ook kwantum is, ondanks dat we het niet kunnen waarnemen.

De ontwikkeling van kwantumcomputers

De ontwikkeling van kwantumcomputers gaat gepaard met de nodige obstakels. Qubits zijn namelijk erg instabiel en maken nog veel fouten. Een nadeel van processors die met qubits werken is dat kwantumeffecten als verstrengeling en superpositie zeer gemakkelijk verstoord raken (decoherentie). De kunst is daarom om een speciale kwantumtoestand, waarbij de temperatuur rond het nulpunt dient te zijn en de ruimte vrijwel geluidloos, lang genoeg stabiel te houden om gegevens te kunnen invoeren, te verwerken, en uit te lezen om zinvolle uitkomsten te krijgen. Dit vormt een barrière voor de ontwikkeling van kwantumcomputers. Het onderzoek betreffende kwantumprocessors richt zich tot nu het meest op het beheersbaar maken en aanhouden van deze kwantumtoestand. De uitdaging is om een omgeving te creëren waarin qubits stabiel blijven, zodat deze bijzondere computers daadwerkelijk tot onze beschikking kunnen komen.

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s