Innovatie & Strategie

Wetenschap
Kouwenhoven bij Majorana-onderzoeksintrument

13 vragen over quantum computing

In Delft is een stap vooruit gezet in het realiseren van een kwantumcomputer.

Leo Kouwenhoven © TU Delft,  Sam Rentmeester
7 mei 2012
  1. Wat heeft het Majorana-deeltje met kwantumcomputers te maken?
    Een van de grote uitdagingen in quantum computing is de ontwikkeling van een geschikte drager voor de geheugenelementen, de qubits. Tot dusverre was geen van de kandidaten simpel en stabiel genoeg voor opschaling naar praktisch bruikbare computers. Het door Kouwenhoven en zijn collega’s gevonden Majorana-deeltje belooft op theoretische gronden een dergelijke stabiliteit wel te bieden.
  2. Wat is dat, een qubit?
    Een qubit is een informatie-element, vergelijkbaar met de bit. Het grote verschil tussen een qubit en een gewone bit zit in de vaststelling van de waarde. Voor een bit is die waarde eenduidig: 1 of 0. Bij de qubit is de waarde dubbel: zowel 1 als 0.
  3. Dat is toch onzin!?
    Op atomaire schaal kan een deeltje zich op één moment in twee tegengestelde toestanden bevinden. Het kan dan bijvoorbeeld gaan om de richting(en) waarin het om zijn as tolt. Dat zoiets op het eerste gezicht als onzinnig voorkomt, komt doordat dergelijke verschijnselen geen deel uitmaken van onze ervaringswereld. Experimenten laten echter uitkomsten zien die alleen verklaarbaar zijn door aan te nemen dat de werkelijkheid op subatomair niveau onbepaald kan zijn.
  4. Met onbepaalde grootheden kun je toch niet rekenen?
    Die ‘rare’ kwantumtoestanden doen zich slechts voor zolang we ze niet registreren. Door te registreren, dwingen we de werkelijkheid als het ware tot een keuze, tussen de ene of de andere draairichting, tussen een 1 en 0. Nog steeds onvoorstelbaar? Voor mensen misschien, maar niet voor de struisvogel; die kan perfect leven met het idee van een werkelijkheid die onbepaald is zo lang ze niet kijkt en pas ‘echt’ wordt op het moment dat ze kijkt (of de leeuwentanden in haar dij voelt).
  5. Wat maakt die kwantumonbepaaldheid zo belangrijk?
    Die ‘waarde-dubbelheid’ of ‘superpositie’ van een qubit heeft tot gevolg dat een algoritme dat van qubits gebruik maakt, slechts eenmaal hoeft te worden doorlopen om een gegeven logische relatie voor twee waarden te evalueren. Terwijl een gewoon computerprogramma voor de meeste problemen herhaaldelijk moet ‘proberen’ (loops doorlopen voor wisselende waarden op bits), hoeft een kwantumprogramma de betreffende routine slechts eenmalig te doorlopen om achteraf, bij uitlezing, ‘vast te stellen’ welke waarden van de qubits effectief waren. Met één qubit, die twee waarden vertegenwoordigt, is dat voordeel nauwelijks interessant. Maar bij twee qubits is de winst al een factor 4 en bij dertig qubits bedraagt de winstfactor - in theorie - meer dan een miljard.
  6. Waarom wordt dit fenomenale principe nog niet op grote schaal toegepast?
    Daarvoor moeten nog diverse praktische problemen worden opgelost. Om te beginnen is het nog heel lastig om kwantumtoestanden teweeg te brengen en te controleren. Al was het maar omdat elke poging om te verifiëren of het is gelukt, een meting is; en derhalve de superpositie verstoort (vergelijk het met het bakken van een soufflé; kijken of hij rijst zal ‘m doen inzakken). Een andere complicatie is dat de crux van het rekenen niet zit in de bits, maar in de relaties tussen de bits. Dat is voor qubits niet anders. Dat hun waarde niet vooraf vaststaat, betekent nog niet dat het er niet toe doet hoe de mogelijke waarden op de qubits zich onderling verhouden. Zonder dat zou er niets te rekenen zijn. De uitdaging is daarom niet alleen kwantumtoestanden tot stand te brengen maar ook om een betekenisvolle samenhang te bewerkstelligen.
  7. Is dat alles?
    Nee, ook het programmeren van kwantumcomputers wordt nog een flinke uitdaging. De gangbare (Booleaanse) logica die ten grondslag ligt aan de programmatuur zoals wij die nu kennen, gaat niet zonder meer op voor variabelen die in qubits zijn gerepresenteerd. Logische operatoren als NOT, OR of IF zijn in het licht van superpositie betekenisloos. De vorderingen in het wiskundig onderzoek naar de mogelijkheden en consequenties van de kwantumlogica zullen uiteindelijk bepalend zijn voor het toepassingsbereik van kwantumtechnologie.
  8. Wat zijn op dit moment de praktische prestaties van de experimentele kwantumcomputers?
    De in aantal qubits gerekend krachtigste kwantumcomputer tot op heden telt 84 qubits (januari 2012); die had slechts één toepassing (voor de liefhebbers: het berekenen van zogeheten Ramsey-nummers). Een iets recenter record, uit maart, is het in factoren ontbinden van het getal 143 (inderdaad 11x13) door een groep Chinese onderzoekers.
  9. Hoe geloofwaardig zijn voorspellingen over te verwachten vorderingen op het gebied van quantum computing?
    Die zijn uitermate onnauwkeurig. R&D op het gebied van quantum computing is vooral veel R en nog betrekkelijk weinig D. Research laat zich moeilijk plannen; wetenschappers moeten soms gewoon ergens tegenaan lopen om een doorbraak te realiseren.
  10.  Zullen kwantumcomputers de huidige micro-elektronische computers ooit verdringen?
    Dat is hoogst onaannemelijk. De logica van kwantumcomputers is namelijk behoorlijk anders. Zo anders dat veel alledaagse logische bewerkingen er slechts met omwegen op mogelijk zullen zijn. Een op kwantumtechnologie gebaseerde tekstverwerker of boekhoudtoepassing ligt dan ook bepaald niet voor de hand.
  11.  Waar ligt de specifieke kracht van een toekomstige kwantumcomputer dan wel?
    Ruwweg bij de problemen waarbij een logische speld in een hooiberg van mogelijke oplossingen wordt gezocht. Kwantumcomputers zullen goed zijn in planningstoepassingen, database-exploratie en simuleren en voorspellen van systeemgedrag. Het moet daarbij natuurlijk wel gaan om modelleerbare systemen; het voorspellen van beurskoersen zal ook met een kwantumcomputer niet lukken.
  12.  Zijn alleen positieve effecten te verwachten?
    Nee. Beveiligers mogen hun borst nat maken op de dag dat kwantumrekenkracht beschikbaar komt. Eén voorbeeld van een probleem waar een kwantumcomputer heel handig voor zal zijn, is namelijk factorisering. Dat is het principe waarop nu nog sterke databeveiliging kan worden gebaseerd. Weliswaar biedt de kwantumlogica zelf goede mogelijkheden om te beveiligen, maar die zullen niet onmiddellijk overal zijn doorgevoerd. Al was het maar omdat je daar dan dus ook (toegang tot) een kwantumcomputer voor nodig zult hebben.
  13. Wat is de juiste spelling?
    In deze tekst staan quantum en kwantum door elkaar. In het Nederlands is het ‘kwantum’, in het Engels ‘quantum’. Computer is inmiddels Nederlands, maar computing nog niet. Vandaar kwantumcomputer en ‘quantum computing’.
 
Lees het hele artikel
Je kunt dit artikel lezen nadat je bent ingelogd. Ben je nieuw bij AG Connect, registreer je dan gratis!

Registreren

  • Direct toegang tot AGConnect.nl
  • Dagelijks een AGConnect nieuwsbrief
  • 30 dagen onbeperkte toegang tot AGConnect.nl

Ben je abonnee, maar heb je nog geen account? Laat de klantenservice je terugbellen!