Kwantumcomputer: verschil tussen versies
Verwijderde inhoud Toegevoegde inhoud
k Commonscat linkfix |
→Bouwstenen: Spelfout gecorrigeerd Labels: Bewerking via mobiel Bewerking via mobiele app Bewerking via Android-app |
||
| (23 tussenliggende versies door 16 gebruikers niet weergegeven) | |||
Regel 1:
[[File:Hoe werkt een quantumcomputer.webm|thumb|Natuurkundige Anne-Marije Zwerver ([[TU Delft]]) over kwantumcomputers - [[Universiteit van Nederland]]]]
Een '''kwantumcomputer''' (ook '''quantumcomputer''') is een nieuw soort [[computer]] waarbij de [[Processor (computer)|processor]] gebruikmaakt van de principes van de [[kwantummechanica]]. Zo'n processor kan in één keer (parallel) dezelfde berekeningen uitvoeren over een zeer grote hoeveelheid data. Die is daardoor tot 10<sup>14</sup> malen sneller<ref>{{en}} [https://science.sciencemag.org/content/370/6523/1460 Quantum computational advantage using photons], ''Science'', 18 december2020</ref> dan een conventionele computer maar wel slechts inzetbaar zijn op zeer specifieke taken. Het concept van de kwantumcomputer werd reeds begin [[1980-1989|jaren tachtig]] beschreven door [[Paul Benioff]], [[Yuri Manin]] en [[Richard Feynman]]. In de jaren daarna ontwikkelden [[David Deutsch]] en [[Peter Shor]] het concept verder. Door de grote (theoretische) mogelijkheden wordt er tegenwoordig,{{Wanneer?||2019|02|13}} na aanvankelijke [[scepsis]], wereldwijd veel geld in onderzoek gestoken. In [[2017]] kwam IBM met een prototype kwantumcomputer in de vorm van een online service.<ref>[https://www.nu.nl/tech/4256632/ibm-maakt-kwantumcomputer-beschikbaar-via-cloud.html IBM maakt kwantumcomputer beschikbaar via cloud], NU.nl, 4 mei 2016</ref> In 2016 bedroeg de markt 89 miljoen dollar.<ref>{{en}} [https://research.aimultiple.com/quantum-computing-stats/ Quantum Computing Statistics: Forecasts & Facts <nowiki>[2021]</nowiki>], AI Multiple, 1 januari 2021</ref>▼
Een '''kwantumcomputer''' (ook '''quantumcomputer''') is een [[computer]] waarbij de [[Processor (computer)|processor]] gebruikmaakt van de principes van de [[kwantummechanica]]. Zo'n processor kan in één keer (parallel) dezelfde berekeningen uitvoeren over een zeer grote hoeveelheid data. Die is daardoor tot 10<sup>14</sup> (of 100 biljoen / 100.000 miljard) malen sneller<ref>{{en}} [https://science.sciencemag.org/content/370/6523/1460 Quantum computational advantage using photons], ''Science'', 18 december2020. [https://web.archive.org/web/20210820230549/https://science.sciencemag.org/content/370/6523/1460 Gearchiveerd] op 20 augustus 2021.</ref> dan een conventionele computer maar is wel slechts inzetbaar op zeer specifieke taken.
== Geschiedenis ==
▲
In december 2023 rapporteerden natuurkundigen voor het eerst de verstrengeling van individuele moleculen, die belangrijke toepassingen kunnen hebben in kwantumcomputers. Eveneens in december 2023 creëerden wetenschappers met succes "kwantumcircuits" die fouten efficiënter corrigeren dan alternatieve methoden, wat mogelijk een groot obstakel voor praktische kwantumcomputers zou kunnen wegnemen.<ref>{{Citeer web |url=https://breakingdefense.sites.breakingmedia.com/2023/12/off-to-the-races-darpa-harvard-breakthrough-brings-quantum-computing-years-closer/ |titel='Off to the races': DARPA, Harvard breakthrough brings quantum computing years closer |taal=en}}</ref>
In oktober 2023 kondigde [[Atom Computing]] aan dat het een atomaire array met 1.225 locaties gemaakt heeft, die op dat moment 1.180 [[Qubit|qubits]] bevatte, gebaseerd op [[Johannes Rydberg|Rydberg-atomen]].<ref>{{cite web |url=https://atom-computing.com/quantum-startup-atom-computing-first-to-exceed-1000-qubits/ |title=Quantum startup Atom Computing first to exceed 1,000 qubits |date=October 24, 2023 |location=Boulder, CO}}</ref>
== Werking ==
=== Bouwstenen ===
Een kwantumcomputer maakt gebruik van de [[kwantumeffect]]en ''[[Kwantumverstrengeling|verstrengeling]]'', ''[[superpositie (kwantummechanica)|superpositie]]'' en ''[[Interferentie (natuurkunde)|
* [[Superpositie (natuurkunde)|Superpositie]] van een deeltje betekent dat bijvoorbeeld de ''[[Spin (elementair deeltje)|spin]]'' hiervan (normaal maar één mogelijke waarde) alle mogelijke waarden ''tegelijkertijd'' kan aannemen. Pas als men iets doet om de spin te meten, pas dán zal het deeltje weer terugvallen naar één waarde. De superpositie is dan verstoord geraakt.
* [[Kwantumverstrengeling]] van twee ''gepaarde'' elementaire deeltjes betekent dat er een verbinding bestaat tussen deze twee deeltjes, die onafhankelijk is van de onderlinge afstand. Als de toestand van een deeltje gemeten wordt, weet men ook ''onmiddellijk'' wat de toestand van het andere deeltje is, hoever zij ook van elkaar verwijderd zijn.
* [[Interferentie (natuurkunde)|Interferentie]] waarbij het golfkarakter van een kwantumdeeltje versterkt of uitgedoofd
Wanneer deze drie eigenschappen op de juiste manier benut worden, kan een kwantumdeeltje vanaf meerdere posities (binnen een chip) gemanipuleerd worden zonder dat het zijn superpositie verliest.
=== Qubits ===
[[Bestand:Blochsphere.svg|thumb|De [[toestandsruimte (natuurkunde)|toestandsruimte]] van een [[qubit]], die gezien kan worden als de kwantummechanische versie van de klassieke databit]]
Het geheugen van de kwantumcomputer is opgebouwd uit [[qubit]]s. Dit zijn deeltjes in superpositie die via een ingenieus patroon met elkaar verstrengeld zijn. In superpositie heeft een qubit ''tegelijkertijd'' de [[binair talstelsel|binaire]]
<math>\quad|\psi\rangle=\alpha|0\rangle + \beta |1\rangle</math>
Waarbij <math>|\alpha|^2</math> en <math>|\beta|^2</math> de waarschijnlijkheden zijn om (respectievelijk) de "0"-toestand <math>|0\rangle</math> of de "1"-toestand <math>|1\rangle</math> te meten tijdens een meting. Fysiek worden qubits in een twee-niveausysteem geïmplementeerd, bijvoorbeeld als de eigentoestanden van een elektron ([[Spin (kwantummechanica)|spin]]) in een extern [[magnetisch veld]]. Eén qubit kan dus eigenlijk de waarde van twee [[Bit (informatica)|bits]] tegelijkertijd hebben.
De kwantumprocessor voert manipulaties uit op de qubits in het geheugen en gebruikt hiervoor input uit ditzelfde geheugen. Echter, wanneer deze processor een waarde ophaalt, haalt hij de waarde 0 én 1 op en wanneer hij een qubit manipuleert, dan wordt deze bewerking op zowel de waarde 0 als 1 uitgevoerd. Wanneer het aantal qubits toeneemt, stijgt de rekenkracht exponentieel met het aantal qubits. Als dit aantal n is, bijvoorbeeld 8, dan zal de processor in één keer voor alle mogelijke inputs (2<sup>n</sup> = 256) dezelfde berekening uitvoeren. Een klassieke computer zou hier juist 256 keer dezelfde handeling voor moeten verrichten. Uiteraard zullen niet alle 256 inputs en outputs zinvol zijn maar een aantal wel. Een kwantumcomputer is dus in staat om enorm snel parallelle berekeningen uit te voeren op een dataset die zelfs met de snelste conventionele computers niet te verwerken is.<ref>[https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28 YouTube: Quantum Computer Explained - Kurtzgesagt]. [https://web.archive.org/web/20230822002158/https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28 Gearchiveerd] op 22 augustus 2023.</ref> === De berekening ===
Een probleem bij het uitlezen van een qubit is dat de superpositie onmiddellijk vervalt tot 0 of 1, waarmee de hele berekening voor niets geweest is. Om dit te omzeilen bestaat de volgende oplossing. Eerst worden de qubits in het geheugen in superpositie gebracht. Vervolgens wordt hier een berekening op uitgevoerd en wordt het antwoord in het geheugen weggeschreven. De qubits die het antwoord bevatten zijn in superpositie, maar worden dusdanig gemanipuleerd dat ze het gewenste antwoord weer gaan geven. Door kwantumverstrengeling heeft dit effect op de qubits die de initiële vraag bevatten. Deze vervallen nu alsnog in een staat waarin ze de initiële input gaan weergeven. Vraag en antwoord worden dus eigenlijk omgedraaid.
Bijvoorbeeld: Iemand wil weten welke twee priemgetallen met elkaar vermenigvuldigd moeten worden om tot het getal 1829 te komen. Er wordt een programma geschreven dat twee getallen met elkaar vermenigvuldigt. De input bestaat uit qubits die in superpositie zijn en die de twee [[priemgetal]]len representeren, de berekening wordt uitgevoerd en de output wordt weggeschreven in het geheugen. Zowel vraag als antwoord is nu nog in superpositie. De output wordt vervolgens dusdanig gemanipuleerd dat de qubits met het antwoord het getal 1829 weergeven. Door kwantumverstrengeling vervallen de qubits die de input bevatten, alsnog, tot de getallen 31 en 59. Deze input kan nu uitgelezen worden. === Algoritmen ===
[[Bestand:Grover algorithm circuit 1.svg|thumb|Het algoritme van Grover]]
Omdat een kwantumcomputer fundamenteel anders werkt dan een conventionele computer, zijn aparte [[Programmeertaal|programmeertalen]] ontwikkeld, zoals QCL.<ref>{{en}} [https://web.archive.org/web/20210612003503/http://itp.tuwien.ac.at/~oemer/qcl.html QCL - A Programming Language for Quantum Computers], itp.tuwien.ac.at</ref> Een programma op een kwantumcomputer zal deterministisch moeten zijn, toeval mag dus geen rol spelen. Een aantal belangrijke [[kwantumalgoritme]]n zijn hieronder opgesomd:<ref name="Five" /><ref name=":0">{{Citeer boek|titel=Quantum computation and quantum information|auteur=Michael A. Nielsen|medeauteurs=Isaac L. Chuang|url=https://www.worldcat.org/oclc/665137861|uitgever=Cambridge University Press|plaats=Cambridge|datum=2010|ISBN=978-1-107-00217-3}}</ref>
* De [[Kwantumfouriertransformatie|kwantum-fouriertransformatie]] is het kwantum-analogon tot de klassieke [[fouriertransformatie]], en is exponentieel sneller dan het beste bekende klassieke algoritme.
* De kwantum
*Het [[kwantumfase-schattingsalgoritme]] (Engels: ''phase estimation algorithm)'' is een algoritme waarmee de [[Eigenwaarde (wiskunde)|eigenwaardes]] van een unitaire transformatie geschat kunnen worden. Deze berust op de kwantum-fouriertransformatie en vormt een belangrijke bouwsteen in veel complexere algoritmen.
*Het [[algoritme van Shor]] is bedoeld om [[priemfactor]]en te vinden. Omdat veel klassieke encryptie methoden zoals [[RSA (cryptografie)|RSA]] erop berusten dat het vinden van priemfactoren van grote getallen erg lastig is, vormt dit algoritme een gevaar voor moderne encryptiemethoden. Er bestaan echter ook klassieke encryptiemethoden die niet op het vinden van priemfactoren berusten en daarom ook voor zover bekend veilig zijn in een post-kwantumcomputer-tijdperk.
Regel 30 ⟶ 42:
* Het [[BHT-algoritme]]
=== DiVincienzo
De Amerikaanse natuurkundige David DiVincienzo formuleerde in 2000 een aantal criteria waaraan fysieke systeem ten minste moeten voldoen om een kwantumcomputer te bouwen.<ref>{{Citeer tijdschrift|achternaam=DiVincienzo|voornaam=D. P.|taal=en|url=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/1521-3978(200009)48:9/11%3C771::AID-PROP771%3E3.0.CO;2-E|titel=The Physical Implementation of Quantum Computation|jaargang=2020|tijdschrift=Fortschritte Der Phsyik|datum=25.10.2000|archiefurl=https://web.archive.org/web/20230709215245/https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/1521-3978(200009)48:9/11%3C771::AID-PROP771%3E3.0.CO;2-E|archiefdatum=2023-07-09}}</ref> Men noemt deze dan ook de [[DiVincienzo
# Een schaalbaar fysiek systeem met goed gekarakteriseerde qubits.
# De mogelijkheid om de staat van alle qubits te initialiseren tot een simpele vast gedefinieerde staat.
# Lange, relevante
# Een "universele" set aan [[kwantumpoort]]en.
# De mogelijkheid qubits (qubit
Voor [[kwantumcommunicatie]] zijn er nog twee extra criteria:
# De mogelijkheid om stationaire en vliegende qubits te verbinden.
# De mogelijkheid om vliegende qubits te verbinden tussen specifieke
== Stabiliteit
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 deze speciale kwantumtoestand lang genoeg stabiel te houden om gegevens te kunnen invoeren,
Misschien zullen kwantumprocessoren altijd instabiel blijven en een zekere mate van onbetrouwbaarheid houden. Als dat zo is zullen berekeningen meerdere malen herhaald moeten worden om te zien of er steeds dezelfde uitkomst uit volgt en misschien zal een extra controle, met een simpeler algoritme, op een conventionele computer nodig zijn. Bijvoorbeeld door met één berekening te controleren of twee priemgetallen met elkaar vermenigvuldigd inderdaad tot een bepaald getal leiden. Het onderzoek betreffende kwantumprocessors richt zich tot nu het meest op het beheersbaar maken en aanhouden van deze kwantumtoestand. Een belangrijke vraag hierbij is wat precies de ideale bouwsteen voor een qubit zou zijn. Enkele mogelijkheden zijn [[Elektron (hoofdbetekenis)|elektronen]], [[foton]]en, [[atoomkern]]en of [[Ion (deeltje)|ionen]], en het [[Majorana-deeltje]].
=== Kwantumfoutverbetering ===
De stabiliteit van kwantumprocessors kan worden verbeterd door het gebruik van kwantumfoutverbetering (Engels: ''quantum error correction''). Hierbij worden effectieve ''logische qubits'' geëncodeerd in meerdere ''fysieke qubits''. Het is het analogon van foutverbeteringscodes van klassieke computers, waarbij een overmaat aan fysieke bits wordt gebruikt om informatie tegen zogenaamde [[bit-omslag]]en (Engels: ''bit flip''), dat wil zeggen dat een bit van een 0 in een 1 verandert of vice versa, te beschermen. Anders dan bij klassieke computers zijn bij qubits een [[Continuüm (natuurkunde)|continuüm]] aan fouten mogelijk. Men kan zich een kwantumfout voorstellen als een ongewenste willekeurige draaiing van een qubit
==== Foutverbeteringsalgoritme van Shor ====
Aanvankelijk leek het mogelijke continuüm aan fouten een groot probleem voor kwantumfoutverbetering, omdat
Voor de foutverbeteringscode van Shor worden 9 fysieke qubits gebruikt om 1 zogenaamde ''logische qubit'' te vormen die foutbestendiger is.<ref name=":0" /><ref name=":1" /> Door meerdere lagen van foutverbeteringscodes over elkaar toe te passen kan zo de precisie van kwantumcomputers in principe oneindig verbeterd worden. Echter zijn daarvoor per laag exponentieel meer qubits nodig, zodat meerdere lagen aan foutverbeteringscodes snel onpraktisch worden. Bovendien moeten qubits met elkaar verbonden kunnen worden, en is connectiviteit tussen qubits vaak een probleem die de mogelijkheid tot het toepassen van codes tussen grote aantallen fysieke qubits limiteert. Een laatste probleem is dat bestaande foutverbeteringscodes ervan uitgaan dat tijdens het encoderen van de fysieke qubits in een logische qubit er niet al een fout optreedt.<ref name=":0" /> Gebeurt dit wel, dan wordt een kwantumfout op de logische qubit ook incorrect ==== Andere foutverbeteringscodes ====
Naast de
==== Robuuste kwantumcomputatie ====
Regel 63 ⟶ 79:
== Binaire computer versus kwantumcomputer ==
[[Bestand:QProg1.png|thumb|Voorbeeld van een programma voor een kwantumcomputer]]
De verwachting is dat de eerste kwantumcomputers niet geschikt zullen zijn om snel lineair te werken. Een kwantumprocessor heeft veel voorbereidingstijd nodig om aan het werk te gaan. Eerst moeten de qubits in superpositie worden gebracht en met elkaar verstrengeld worden. Hierna kan een aantal berekeningen worden uitgevoerd. Zowel de voorbereiding als het uitlezen van de antwoorden zal waarschijnlijk veel tijd kosten en ook de berekeningen zelf zullen traag gaan.
Hier staat tegenover dat een kwantumcomputer met slechts enkele berekeningen tot hetzelfde antwoord kan komen waar een conventionele computer vele jaren zal moeten doorwerken. Een conventionele processor werkt dus serieel en een kwantumprocessor werkt slechts korte tijd maar parallel. Kwantumprocessoren zijn dan ook niet geschikt om in een [[Personal computer|pc]], [[smartphone]] of spelcomputer te verwerken. Daar komt nog bij dat een kwantumprocessor met allerlei middelen stabiel gehouden moet worden, onder andere door hem extreem te koelen. Kwantumprocessoren zijn beschikbaar in de [[Cloud computing|cloud]].<ref>{{en}} [https://research.aimultiple.com/quantum-computing-cloud/ Cloud Quantum Computing & Top cloud QC vendors in 2021], AI Multiple, 31 december 2020. [https://web.archive.org/web/20220419031930/https://research.aimultiple.com/quantum-computing-cloud/ Gearchiveerd] op 19 april 2022.</ref> Toepassingen die met een kwantumcomputer veel sneller zullen gaan, zijn: * Het kraken van [[encryptie]], mogelijk met het [[algoritme van Shor]]. Dit kan door in één keer een berekening te doen met alle mogelijke encryptiesleutels en na deze berekening meteen de juiste sleutel te identificeren.<ref>[https://universiteitvannederland.nl/college/hoe-kan-een-kwantumcomputer-overal-inbreken Hoe kan een kwantumcomputer overal inbreken?], Universiteit van Nederland</ref>
* Het doorzoeken van een nieuw soort database waarbij de kwantumprocessor in één keer alle rijen in de database doorzoekt
* Kwantumsimulatie, het simuleren van [[kwantumeffect]]en en chemische reacties.<ref name="Five" /> [[Richard Feynman]] stelde ooit dat als je de natuur wilt simuleren dat hier een kwantumcomputer voor nodig zou zijn.
* In het vakgebied van [[kunstmatige intelligentie]], zo wordt er bijvoorbeeld onderzoek gedaan naar betere vormen van [[machinaal leren]]
== Gevolgen ==
Regel 75 ⟶ 99:
== Nederlands onderzoek ==
De [[TU Delft]] en [[Nederlandse Organisatie voor toegepast-natuurwetenschappelijk onderzoek|TNO]] zijn met hun afdeling ''Qutech center'' onder wetenschappelijke leiding van [[Ronald Hanson]], die in 2013 speciaal opgericht is om binnen vijf jaar een werkend prototype kwantumcomputer te realiseren, een van de meest vooraanstaande researchcentra ter wereld.<ref>[
{{Appendix|2=
* [
* [https://web.archive.org/web/20120723220921/http://www.ns.tudelft.nl/qt Onderzoeksgroep Quantumtransport TU Delft]
* [http://www.qubit.org/ Onderzoeksgroep Quantumcomputing Universiteit van Oxford met veel achtergrondinformatie]
* [
* [https://www.youtube.com/watch?v=yy6TV9Dntlw YouTube: Quantum computing explained with a deck of cards]
* Gershenfeld, Neil, and Isaac L. Chuang. "[http://cba.mit.edu/docs/papers/98.06.sciqc.pdf Quantum computing with molecules.]" Scientific American 278.6 (1998): 66-71
| |||