Quantumcomputing: de 1e echt bruikbare quantumcomputer komt eraan.

Het Amerikaanse technologiebedrijf IBM heeft grote plannen: als 1e ter wereld een fouttolerante quantumcomputer op de markt brengen. Op dit moment wordt er hard aan de computer gewerkt. En in 2029 moet de IBM Quantum Starling te koop zijn. Maar wat is een quantumcomputer? Hoe werkt die? En wat bedoelen we met fouttolerant? Vertellen we je in dit artikel. Ook lees je meer over de IBM Quantum Starling.

Wat is een quantumcomputer?

Een quatumcomputer is een hele slimme computer. Die anders werkt dan de traditionele computers die we elke dag gebruiken. Leggen we je uit. Een traditionele computer werkt met bits die alleen de waarde 0 of 1 kunnen hebben. Een quantumcomputer gebruikt quantumdeeltjes, of qubits. Die hebben quantummechanische eigenschappen zoals superpositie en verstrengeling. Die eigenschappen zorgen ervoor dat een quantumcomputer hele complexe berekeningen op bepaalde gebieden veel sneller kan uitvoeren dan een traditionele computer. Niet voor alle problemen, maar voor specifieke berekeningen zoals factorisatie en optimalisatie.

Kansen pakken met digitale transformatie.

Een handig overzicht van belangrijke trends, tools en inzichten die je helpen om de vruchten te plukken van digitale transformatie.

Lees direct

Superpositie

Superpositie betekent dat een qubit zich in meerdere toestanden tegelijk kan bevinden. Totdat het wordt gemeten. Daarmee bedoelen we dat een qubit tegelijkertijd een 0 en een 1 kan zijn. Pas als je een qubit meet, valt ie willekeurig uiteen in een 0 of een 1.

Verstrengeling

Verstrengeling, of entanglement, betekent dat 2 of meer qubits zo met elkaar verbonden zijn dat ze samen 1 quantumsysteem vormen. De toestand van het ene deeltje is verbonden aan die van het andere. En als je deze deeltjes meet, reageren ze tegenovergesteld op elkaar. Maakt niet uit waar de deeltjes zich op dat moment bevinden. Je kan het vergelijken met 2 dansers die in verschillende landen op hetzelfde moment dansen. Zodra de danser in land A naar links draait, draait de danser in land B naar rechts. Zonder dat ze elkaar kunnen zien of met elkaar kunnen communiceren. Niemand weet precies hoe dit werkt. Maar wat we wel weten, is dat de qubits pas beslissen wat ze gaan doen op het moment dat ze worden gemeten.

Hoe werkt een quantumcomputer?

Een quantumcomputer bestaat uit fysieke qubits. Gespecialiseerde stukjes hardware die quantuminformatie kunnen opslaan en verwerken. De qubits kunnen in superpositie verkeren en kunnen met elkaar verstrengeld worden om complexe berekeningen te maken. Het lastige aan fysieke qubits is dat ze heel gevoelig zijn voor omgevingsinvloeden. Kleine verstoringen zoals schommelingen in temperatuur, elektromagnetische ruis of trillingen kunnen de quantumtoestand verstoren. Dat kan zorgen voor rekenfouten. Om dit te voorkomen, gebruikt een quantumcomputer quantum foutcorrectie. Daarbij worden meerdere fysieke qubits gecombineerd tot 1 logische qubit. We leggen je uit hoe dat werkt.

Bij een klassieke computer codeer je bit ‘1’ als ‘111’ en bit ‘0’ als ‘000’. Als je een bitfout maakt, kan je die snel opsporen en herstellen. Bij een quatumcomputer verspreid je de informatie van 1 logische qubit over meerdere fysieke qubits. Bijvoorbeeld over 5 of 10 qubits. Daarbij houden de qubits de quantummechanische eigenschappen. Ook bestaat een quantumcomputer uit 3 belangrijke onderdelen die een klassieke computer niet heeft: een quantumgeheugen,  universele gateset en decoder.

• Quantumgeheugen. Hier wordt quantuminformatie opgeslagen en bewaakt.
• Universele gateset. Een verzameling quatumpoorten, of gates waar alle quantumberekeningen die mogelijk zijn mee uitgevoerd kunnen worden.
• Decoder. Klassieke hardware die fouten opspoort en realtime corrigeert tijdens een berekening.

De voordelen van een quantumcomputer.

Een quantumcomputer heeft verschillende voordelen.

• Door superpositie en verstrengeling kan een quantumcomputer veel meer toestanden tegelijk verkennen dan een traditionele computer. Dat zit zo: een traditionele computer werkt stap-voor-stap. Die probeert elke mogelijke oplossing 1 voor 1 uit tot die de juiste vindt. Een quantumcomputer kan door superpositie alle mogelijke oplossingen tegelijkertijd uitproberen.
• Verstrengeling tussen qubits zorgt ervoor dat informatie tussen verschillende delen van een berekening gedeeld wordt. Dit zorgt voor ingewikkelde verbindingen tussen berekeningen die traditionele computers alleen met veel tijd en moeite kunnen nadoen.
• Een laatste voordeel is exponentiële groei. Daarmee bedoelen we dat de verwerkingstijd verdubbelt met elke toegevoegde qubit. Omdat 1 qubit tegelijk 0 en 1 kan zijn, zijn er 2 toestanden. 2 qubits kunnen tegelijk 00, 01, 10 en 11 zijn. Zo zijn er 4 toestanden die allemaal tegelijk getest kunnen worden. En zo verder.

De uitdagingen van een quantumcomputer.

Naast alle voordelen, heeft een quantumcomputer ook een paar uitdagingen. De grootste uitdagingen zijn ruis beheersen en schaalbaarheidsproblemen.

• Ruis beheersen. Quantumcomputers zijn heel gevoelig. Elke kleine verstoring kan voor fouten zorgen. Als dat gebeurt, verlies je het quantumvoordeel.
• Schaalbaarheidsproblemen. Voor echte toepassingen zijn er honderden tot duizenden betrouwbare qubits nodig. Op dit moment bestaan er tientallen. Het probleem wordt groter, omdat voor elke betrouwbare qubit honderden gewone qubits nodig zijn om fouten op te vangen.

Het quantumvoordeel bestaat dus wel, maar alleen voor hele specifieke problemen en onder de perfecte omstandigheden.

Is een quantumcomputer gevaarlijk?

Nee, een quantumcomputer is niet gevaarlijk. Maar het gebruik ervan kan wel gevolgen hebben voor cybersecurity. De kracht van een quantumcomputer is het vermogen om bepaalde wiskundige problemen supersnel op te lossen. Betekent dat die bijvoorbeeld kan worden gebruikt om verschillende codes te kraken. Op dit moment zijn quantumcomputers nog niet zo ver. En werken cryptografen hard aan quantum-resistente encryptiemethoden. Zo ben je ook in de toekomst goed beschermd tegen cybercriminelen.

IBM Quantum Starling: de quantumcomputer van IBM.

IBM werkt hard aan een eigen quantumcomputer: de IBM Quantum Starling. In 2029 is het doel om een fouttolerant systeem te realiseren. IBM heeft grote plannen. De IBM Quantum Starling moet de 1e fouttolerante quantumcomputer worden. Daarmee bedoelen ze dat de computer goed blijft werken, ook als er tijdens een berekening fouten optreden. Dit is heel belangrijk, omdat  quantumcomputers van nu heel gevoelig zijn voor fouten. En niet goed meer werken als die fouten optreden.

De IBM quantumcomputer kan straks werken met 200 logische qubits en 100 miljoen quantumberekeningen uitvoeren. Dat is bijzonder, want de quantumcomputers die er nu zijn kunnen maximaal een paar honderd tot duizend berekeningen betrouwbaar uitvoeren voordat er fouten optreden. We geven een voorbeeld: de quantumcomputers die er nu zijn kunnen makkelijke wetenschappelijke experimenten uitvoeren, proof of concept berekeningen maken en dezelfde berekeningen maken als traditionele computers, maar dan veel sneller. De IBM Quantum Starling kan straks cryptografie breken, en optimalisatieproblemen oplossen door bijvoorbeeld verkeersstromen en logistiek te verbeteren. En AI, verbeteren door machine learning algoritmen die veel sneller leren dan de algoritmen die er nu zijn.

Wil je meer weten over de IBM Quantum Starling? Lees het artikel van IBM over deze nieuwe quantumcomputer.

Digitale transformatie.

In een snel veranderende wereld met grote maatschappelijke en economische vraagstukken is innovatie, zoals een fouttolerante quantumcomputer, heel belangrijk. Ben je benieuwd hoe innovatie en technologie helpen om de digitale transformatie te versnellen? Lees onze gratis longread Digitale transformatie.

Beeld: Odido