Wat is kwantumtechnologie?

Een kwantumcomputer zou in no time een nieuw medicijn kunnen uitvinden tegen een zeldzame ziekte, of zou onze ontdekking van de ruimte sterk kunnen versnellen. Tijd dus om ons te verdiepen in de kwantumwereld.

Quod est quantum?

Andrew Bestwick, director of engineering bij kwantumstart-up Rigetti beschrijft kwantumtechnologie verrassend begrijpbaar “Kwantumtechnologie beschrijft de ‘simpele dingen rondom ons’. Bestwick doelt daarmee op zaken zoals fotonen, elektronen en atomen. “Het interessante aan die minuscule deeltjes echter, is dat zij zich niet op dezelfde manier gedragen als de wereld rondom ons.”

Conventionele computers verwerken informatie aan de hand van de aan- of afwezigheid van elektrische stroom. De klassieke “bits” hebben daarbij twee mogelijke posities; ‘aan’ (1) of ‘uit’ (0). Transistors kunnen deze bits laten omschakelen en logische poorten vormen zoals een AND-, OR- of een NOT-poort. (En hiermee is meteen mijn hele middelbare schoolvak technische opleiding opgefrist). Door die poorten met elkaar te combineren, kunnen we in principe alles berekenen dat ook maar te berekenen valt.

Het idee om de kenmerken van kwantumtechnologie te gaan toepassen op de computerwetenschappen komt oorspronkelijk van de fysicus Richard Feynmann, die in 1982 met het lumineuze idee op de proppen kwam. De eerste blauwdruk van een kwantumcomputer ontstond drie jaar later, in 1985, en was van de hand van de – Duitse- fysicus David Deutsch, professor fysica aan de universiteit van Oxford. Vandaag steunt Quantum computing op de twee belangrijkste kenmerken van kwantummechanica; superpositie en verstrengeling.

Quantumkenmerken

Superpositie

Bij superpositie is een kwantumbit, oftewel qubit, tegelijkertijd zowel een 0 als een 1. Op het moment dat de qubit gemeten wordt, door bijvoorbeeld de foton door een filter te zenden, meet die echter als een 0 óf een 1. Maar zolang de qubit niet geobserveerd wordt, blijft die zich in een opeenstapeling van waarschijnlijkheden bevinden voor zowel 0 als 1. Het moment dat de qubit gemeten wordt, valt die opeenstapeling van staten in elkaar en maakt de qubit één enkele staat bekend. Net door die speciale eigenschap, gaat er een wereld van nieuwe mogelijkheden open binnen de computertechnologie.

Verstrengeling

Superpositie suggereert op zich al een grotere computerkracht, maar de echte kracht van een kwantumcomputer ligt in het feit dat de posities van verschillende qubits met elkaar verstrengeld kunnen zijn. Dat creëert dan een opeenstapeling van alle mogelijke combinaties van de enkelvoudige posities van de qubits, en zorgt meteen ook voor een heuse toename in de rekenkracht van de computer.

Verstrengeling is het idee dat kwantumdeeltjes zodanig met elkaar kunnen verbonden zijn dat de kwantumtoestand van de ene qubit automatisch de kwantumtoestand van de andere qubit verandert, zelfs al zijn de twee qubits lichtjaren van elkaar verwijderd. Einstein noemde het zelfs “een spookachtige gebeurtenis vanop afstand”. Schrödinger noemde het dan weer “het definiërende kenmerk van de kwantumtheorie”. Voor Einstein was dat echter allemaal larie en apekool, en hij ging er dan ook vanuit dat kwantumtheorie als wetenschappelijk veld op losse schroeven stond.

Quantum computing

Een kwantumcomputer maakt handig gebruik van de twee belangrijkste eigenschappen van kwantummechanica. Eerst berekent de computer alle mogelijke resultaten van een probleem door gebruik te maken van superposition. Daarna past de computer het principe van verstrengeling toe om het aantal herhalingen weg te halen.

Wanneer twee qubits met elkaar verstrengeld raken, kan je hen tegelijkertijd manipuleren. Dat zorgt ervoor dat slechts 8 qubits in superposition of verstrengeling tegelijkertijd elk nummer van 0 tot en met 255 kunnen vertegenwoordigen.

Voor quantum computing is het belangrijk hoeveel verstrengelde qubits een computer tegelijkertijd aankan, aangezien dat ook een indicatie is van de computerkracht. Momenteel is het record 14 qubits, dat in 2011 werd bereikt door de Rainer Blatt groep aan de  universiteit van Innsbruck in Oostenrijk. Dat aantal qubits tegelijkertijd stabiel houden is een belangrijke mijlpaal aangezien qubits snel hun speciale kenmerken verliezen.

Kwantumkwaliteitsverlies

Een van de grootste obstakels van quantum computing is de coherentietijd, of hoe lang de qubits hun kwantumkenmerken kunnen blijven behouden. Momenteel is dat nog niet erg lang en verliezen de qubits door de minste of geringste interferentie hun kwantumkenmerken. Een iets te hoge temperatuur of een tikje tegen de qubit kan het al uit zijn kwantumstaat halen.

Om de kwantumkenmerken van deeltjes te garanderen, heeft kwantummechanica extreem lage temperaturen nodig, die dichtbij het absolute nulpunt liggen. In alledaagse vaste, vloeibare of gasvormige elementen ontstaat er namelijk teveel hitte of warmte-energie uit de beweging van atomen en moleculen wanneer die rondzweven en tegen elkaar botsen, waardoor ze hun kwantumkenmerken verliezen.[

Bij extreem koude temperaturen echter, worden de kenmerken van kwantumtheorie pas echt goed duidelijk; moleculen botsen dan niet meer tegen elkaar, maar hun kwantummechanische golven strekken zich uit en beginnen te overlappen met elkaar. Het absolute nulpunt is echter praktisch onmogelijk om te bereiken en de deeltjes voldoende koud houden kost erg veel moeite en heeft een aangepaste infrastructuur nodig. Dat is een van de belangrijkste praktische obstakels van kwantumtechnologie.

Kwantuminfrastructuur

Een kwantumcomputer begint, net als een conventionele computer, met een chip. In het geval van een kwantumcomputer gaat het uiteraard om een kwantumchip. Andere belangrijke bouwstenen van een kwantumcomputer zijn superconducting qubits. Dat is eigenlijk metaal in een siliconen chip, dat op zo’n manier geconstelleerd is dat het metaal bij extreem koude temperaturen supergeleidend wordt. Op die manier kunnen alle elektronen zonder elektrische weerstand doorstromen. Dat is nodig aangezien de chips extreem gevoelig zijn; een stofje kan er al voor zorgen dat ze uit balans raken.

Kwantumalgoritmen

De beloften van kwantumtechnologie rusten voornamelijk op twee algoritmen. Het eerste zogenaamde kwantumalgoritme werd in 1994 ontwikkeld door de wiskundige Peter Shor, en werd “het algoritme van Shor” genoemd. Het algoritme van Shor zorgt ervoor dat een kwantumcomputer in no time de priemgetallen van eender welk getal kan vinden, iets waar klassieke computers veel langer over zouden doen aangezien ze het gegeven getal eerst proberen te delen door alle mogelijke priemgetallen.

Een kwantumcomputer voert al die berekeningen echter tegelijkertijd uit. De cybersecuritywereld houdt het hart vast, want de meeste moderne encryptiemethoden steunen op het feit dat klassieke computers niet heel efficiënt zijn in factoring, oftewel het vinden van alle priemgetallen van een opgegeven getal.

Een ander veelgebruikt, en minstens zo interessant algoritme is dat van Fysicus Lov Grover, dat hij twee jaar na dat van Shor ontwikkelde. Het algoritme van Grover staat een kwantumcomputer toe om op razendsnelle wijze doorheen gigantische datasets te zoeken, en biedt zeker op het vlak van AI heel wat potentieel voor de toekomst.

Kwantumcloud

Wie denkt dat quantum computing uitsluitend voorbehouden is voor gigantische, spacey computers, is eraan voor de moeite. Start-up Rigetti heeft, – geheel naar het evenbeeld van Amazon – dit jaar nog zijn Quantum Cloud Services gelanceerd. Volgens oprichter en CEO van Rigetti, Chad Rigetti, is hun kwantumplatform “de eerste architectuur voor kwantumclouddiensten”. Rigetti trekt met die belofte klanten aan uit de biotechnologie en de chemie die complexe moleculen bestuderen om zo nieuwe geneesmiddelen ontwikkelen. 

Net als IBM staat ook Rigetti software-ontwikkelaars de toegang tot hun kwantumdatacentrum toe. Rigetti nodigt actief al hun gebruikers uit om een aanvraag in te dienen voor een kosteloze toegang tot hun kwantumsystemen. De start-up uit Berkeley vaardigt daarbij een prijs van 1 miljoen dollar uit voor wie een kwantumtechnologische toepassing kan uitvinden waarmee de kwantumwereld een competitief voordeel verkrijgt ten opzichte van conventionele computers. “We willen focussen op de commerciële bruikbaarheid en de toepasbaarheid van deze machines, want dat is uiteindelijk waarom dit bedrijf bestaat”, aldus Rigetti.