Kwantumcomputers komen zo nu en dan naar voren als objecten van interesse en bezorgdheid - interesse omdat ze zo'n enorme toename in rekenkracht en bezorgdheid bieden omdat ze misschien gewoon al onze huidige cryptografie kunnen doorbreken. Het is niet langer een kwestie van 'als', maar van 'wanneer'. Het eerste werkmodel verscheen in 1998, maar de afgelopen jaren is de macht enorm toegenomen. Als u wilt, kunt u nu zelfs via internet toegang krijgen tot een van IBM's quantummachines.

De vangst? Kwantumcomputers zijn nog niet erg nuttig. Ze vereisen momenteel een aantal hoogwaardige wetenschappelijke apparatuur om te functioneren, zijn duur in opbouw en onderhoud en zijn alleen goed in specifieke taken. Waar het om gaat, is dat kwantumcomputers bijna op het punt staan ​​om verbazingwekkende wetenschappelijke machines te zijn, maar ze zullen misschien nooit de levering van kattenfoto's van internetservers aan je oogbollen versnellen.

"In de jaren veertig ontdekten onderzoekers gewoon hoe ze vacuümbuizen als eenvoudige schakelaars moesten gebruiken. ... Deze schakelaars kunnen dan logische poorten vormen, die aan elkaar kunnen worden gekoppeld om de eerste logische circuits te vormen. Dat is waar we ons nu bevinden met kwantumprocessors. We hebben geverifieerd dat alle componenten werken. De volgende stap is om het kleinste, maar meest interessante circuit te ontwikkelen. "- Jungsang Kim, Duke University

Te lang, las niet

Kwantumcomputers zijn ingewikkeld, dus als je alleen op zoek bent naar het idee zonder in details te treden, dan is dit iets voor jou.

  • Conventionele processors werken door het hebben van veel kleine onderdelen die kunnen worden "omgedraaid" naar een 0 of een 1 positie.
  • Superpositie: een "Schrodinger's cat" -scenario: iets kan in meerdere toestanden bestaan ​​totdat het wordt waargenomen. Voor quantumcomputers betekent dit dat het tegelijkertijd 0 en 1 kan opslaan totdat het de ene of de andere wordt genoemd.
  • Quantumverstrengeling: een eigenschap die kwantumdeeltjes met elkaar laat praten - zelfs over afstanden van vele mijlen, alle wijzigingen aangebracht in het ene deeltje zullen ook het andere beïnvloeden. Hierdoor kunnen quantumcomputers 'superpositie'-chips combineren om de snelheid en opslagruimte exponentieel te vergroten. Twee bytes kunnen slechts een van de volgende waarden opslaan: 0-0, 0-1, 1-0 of 1-1. Twee qubits kunnen al deze opslaan.
  • Qubits: conventionele computers gebruiken bits en bytes; kwantumcomputers gebruiken qubits. Dit zijn de dingen die in het vlak tussen 0 en 1 voorkomen, en dat is wat iedereen probeert te verstrikken en chips te plaatsen.
  • Kwantumcomputers zijn niet erg handig voor dagelijkse computertoepassingen, maar ze zullen waanzinnig goed zijn in een aantal zeer complexe dingen.

Conventionele processors

Conventionele processoren, zoals de Intel- of AMD-chip op uw computer, zijn in feite rekenmachines die logische paden volgen - ze krijgen een aantal gegevens en een reeks instructies die hen vertellen wat ze moeten doen (wiskunde, zoals optellen / vermenigvuldigen, logica, zoals EN / NIET) . Ze voeren de bewerking uit en verzenden het resultaat om ergens anders te worden opgeslagen. Zo eenvoudig is het, een invoer / nummer komt binnen en er komt een uitvoer uit; als het abstract lijkt, stel je dan een zwarte doos voor die instructies en materialen opneemt en een product uitspuugt. Als je een 2, 4 Ghz-processor hebt, doet je computer ongeveer 2, 4 miljard van deze bewerkingen per seconde. Hoe meer nummers u per seconde uit uw processor kunt halen, hoe sneller uw programma's worden uitgevoerd.

Op hardwareniveau zijn processors samengesteld uit miljoenen of zelfs miljarden transistors, die in feite uiterst kleine schakelaars zijn die voortdurend worden omgeschakeld (ze bewegen niet, veranderen gewoon hun elektrische ladingstoestanden) om een ​​van de twee toestanden weer te geven: 0 of 1. Deze zijn gerangschikt in logische poorten, caches en andere mooie dingen op de chip, maar het enige dat we moeten weten, is dat transistors slechts twee mogelijke toestanden hebben: ze zijn altijd ingesteld op 0 of 1, waardoor een berekening mogelijk is op hetzelfde moment gedaan worden.

Om samen te vatten: conventionele processors maken miljarden zeer eenvoudige bewerkingen heel snel met miljoenen / miljarden transistors gerangschikt in bepaalde patronen en ingesteld op 0 of 1, afhankelijk van de instructies.

Schrodinger's Cat en Superpositie

In plaats van direct in de moeren en bouten te stappen, kun je het beste beginnen met een paar mooie natuurkundige dingen. (Maak je geen zorgen, er is geen wiskunde.)

De kat van Schrodinger is een van de beroemdste voorbeelden van de kwantumfysica, en het gaat over het idee van 'superpositie'. Het is vrij eenvoudig: een wetenschapper heeft een doos met een kat erin. De kat heeft een kans van 50% om dood te gaan. (Geen katten werden geschaad bij het maken van deze illustratie.) De wetenschapper heeft de doos niet geopend, dus hij weet niet of de kat levend of dood is.

Vanuit een objectief oogpunt moet de kat dood of levend zijn, maar vanuit het oogpunt van de kwantumfysica zijn beide waar, ten minste tot de doos is geopend. Waarom? Omdat (voor onze doeleinden, tenminste, er zijn veel verschillende manieren om dit te benaderen) de verwerkingseenheid van de wetenschapper (zijn hersenen) weet niet wat het antwoord is, behalve dat het een levende of een dode kat kan zijn. In theorie heeft de wetenschapper zich op beide mogelijkheden voorbereid, dus wanneer hij de doos opent, ontvangt zijn brein de input (de kat leeft!) En produceert de vooraf berekende output (verlichting, vermoedelijk).

"Niet alleen is het universum vreemder dan we denken, het is vreemder dan we kunnen denken." - Werner Heisenberg

Dit is superpositie : het idee dat iets in meerdere toestanden bestaat totdat het wordt waargenomen, gemeten of anderszins wordt gehandeld. Hoe is dit van toepassing op kwantumcomputers? Vervang gewoon de hersenen van de wetenschapper door een processor (metaforisch): het kent de verschillende mogelijkheden (de instructie kan voor een 0 of een 1 zijn) en het slaat alle mogelijkheden tegelijkertijd op. Als het echter om de uitvoer gaat, geeft het een 0 of een 1 af, net als een normale processor. Alle mogelijkheden kunnen tegelijkertijd bestaan, maar er kan slechts één uitvoer verschijnen. Het is niet echt handig met slechts twee getallen, maar zodra je dit schaalt tot het punt waarop kwantumcomputers miljarden mogelijkheden tegelijk kunnen berekenen, begint het potentieel voor de hand te liggen.

Stel je als analogie voor dat je een munt in de lucht gooit. Terwijl het vliegt, draait het constant tussen de hoofden en de staarten, effectief zijnde hoofden, staarten, en zowel hoofden als staarten. Dat is wat de processor van een quantumcomputer doet, en daarom kan het vrijwel elk mogelijk resultaat meteen berekenen.

Quantumverstrengeling

Het begint hier echt interessant te worden. Het blijkt dat kwantumdeeltjes in paren kunnen bestaan ​​en dat elk lid van het paar een spiegelbeeld is van de ander. Dit is "quantumverstrengeling". Als er iets met Deeltje 1 gebeurt, zal er een tegengestelde verandering optreden in Deel 2. Einstein noemde deze "spookachtige actie op afstand" vanwege hoe vreemd deze eigenschap is. Militaire onderzoekers experimenteren zelfs met het gebruik ervan om radar te vervangen - schiet gewoon de ene helft van een verstrikte paar in de lucht en kijk wat er met zijn partner hier beneden gebeurt om erachter te komen of het een vliegtuig raakt.

"Als de kwantummechanica je niet diep heeft geschokt, heb je het nog niet begrepen." - Niels Bohr

Dit is een beetje mind-bending om je hoofd rond te krijgen, dus het volstaat om te zeggen dat kwantumcomputers verstrengeling kunnen gebruiken om meerdere "quantumtransistors" of "qubits" aan te sluiten om het niveau van complexiteit exponentieel te verhogen. Een computer kan naar de toestand van één qubit kijken en er vervolgens achter komen wat alle anderen ook doen, omdat ze verstrikt zijn.

qubits

Dit is waar de hardware binnenkomt. Qubits zijn, zoals conventionele computerbits en bytes, de meest elementaire eenheid van kwantuminformatieopslag. Het grote verschil is dat elke qubit in zekere zin gelijk is aan 0 en 1 tegelijkertijd, die op verschillende manieren kan worden gerepliceerd op computerchips, van supergekoelde supergeleiders tot lasers. Het einddoel is echter hetzelfde: een soort deeltje laten bestaan ​​in die rare kwantumtoestand waarin het twee dingen tegelijkertijd zijn. Een minuscule strook onderkoeld metaal kan bijvoorbeeld elektronen rondstuiteren met zeer weinig weerstand, waardoor het potentieel voor elke staat wordt gecreëerd in plaats van de qubit in één staat te houden.

Een goede volgende stap is om de qubits te verstrengelen, wat in feite betekent dat je ze allemaal tot dezelfde frequentie moet synchroniseren zodat ze samen kunnen werken. Dit maakt kwantumcomputers een stuk krachtiger omdat het verward raken van de qubits is waardoor je een hele chip van hen kunt laten samenwerken. Op zichzelf is een qubit behoorlijk indrukwekkend, maar het doet niets te spannend. Wanneer het echter verstrikt is in een andere qubit, kan het alle mogelijke waarden van beide qubits samen opslaan: 0-0, 0-1, 1-0, 1-1, met 2 ^ 2 mogelijkheden. Als je drie qubits verstrengelt, heb je nu 2 ^ 3 mogelijkheden (8). De wereldrecord-chip met ingang van juni 2018 heeft 72 qubits die, in theorie, net zoveel berekeningen in een seconde kunnen uitvoeren als een personal computer dat in een week kan doen.

Om dit een beetje eenvoudiger te maken: als je twee conventionele bits vergelijkt met twee qubits, is het meest opvallende verschil dat twee bits alleen 0-0, 0-1, 1-0 of 1-1 kunnen zijn - slechts één combinatie van binaire elementen resultaten. Twee qubits kunnen echter alle vier tegelijkertijd opslaan, en omdat ze exponentieel groeien, gaan een paar qubits veel verder dan een paar bits. 3 verwarde qubits kunnen 0-0-0, 0-0-1, 0-1-0, 0-1-1, 1-1-1, 1-1-0, 1-0-0 en 0- zijn 1-0, tegelijkertijd - blijf dat steeds op één kracht schalen, en je krijgt uiteindelijk een computer die een aantal zeer complexe mogelijkheden kan opslaan.

Binnenkort beschikbaar (voor een paar specifieke dingen)

Dus dit is een kwantumcomputer: een machine die alle antwoorden kent, maar alleen degene geeft die overeenkomt met de vraag. Het is een breinbrekende machine, maar het is gebouwd en het wordt zo snel groter en beter dat het moeilijk bij te houden is. U vraagt ​​zich misschien af ​​wanneer u een kleine sub-arctische vriezer met spookachtige wetenschap op uw computer gaat krijgen en het antwoord is helaas niet snel. Dat wil niet zeggen dat het nooit zal gebeuren, maar op dit moment kan het vrijwel alleen in een lab functioneren, en je vijf jaar oude laptop kan bij de meeste dingen waarschijnlijk een kwantumcomputer verslaan. Kwantumcomputers zullen echter heel goed zijn in een paar dingen, zoals:

  • Codering doorbreken: u hoeft Bitcoin niet te bezitten om zich zorgen te maken over het uitvallen van encryptie. Het is wat vrijwel alles op het internet vrijhoudt van openlijk leesbaar voor iedereen die even langs wil komen en een kijkje wil nemen. Je wifi? Versleuteld. Kredietkaart? Versleuteld. Het doorbreken van RSA-codering wordt bij normale computers als onmogelijk beschouwd, maar dat is alleen omdat ze niet snel genoeg kunnen raden. Quantum-computers zijn geweldig in het raden. Gelukkig lijkt kwantumverstrengeling een nieuwe manier om dingen te versleutelen.
  • Grote hoeveelheden gegevens doorzoeken: Quantum-computers kunnen de gegevens bekijken, alle antwoorden opslaan en uw vraag onmiddellijk beantwoorden. Stel dat je een willekeurige lijst met getallen hebt, en je weet dat het nummer 193.201 ergens in voorkomt. Een conventionele computer moet alle getallen doorlopen om het te vinden, maar een quantumcomputer wist waar het was voordat je het zelfs maar vroeg.
  • Modelleren van extreem complexe scenario's: chemische structuren, natuurkundige problemen, weersvoorspellingen, massaal complexe systemen met veel mogelijke uitkomsten - dat is waar quantum computing uitblinkt. Omdat het in zoveel mogelijke toestanden tegelijk kan bestaan, kan het de werkelijke complexiteit van de met variabelen gevulde natuurlijke wereld (die zichzelf in een kwantumtoestand is) repliceren

"In minder dan tien jaar zullen kwantumcomputers beter presteren dan alledaagse computers, wat leidt tot doorbraken in kunstmatige intelligentie, de ontdekking van nieuwe geneesmiddelen en nog veel meer. De zeer snelle computerkracht van quantumcomputers heeft het potentieel om traditionele bedrijven te verstoren en onze cyberbeveiliging uit te dagen. Bedrijven moeten klaar zijn voor een kwantum toekomst omdat het eraan komt. "- Jeremy O'Brien, University of Bristol

Kwantumcomputers zoals ze op dit moment zijn, zien eruit als probleemoplossende machines, optimalisatie van supply chains, kunstmatige intelligentie, voorspellen van het weer, spelen op de aandelenmarkt, enz. IBM, Intel, D-Wave, Google en andere bedrijven produceren al versies van deze machines en onderzoeken manieren om ze praktischer en bruikbaarder te maken.

Een belangrijke hindernis is echter dat qubits zijn gebouwd op het berekenen van zoveel mogelijkheden, dat kwantumcomputers soms fouten maken. Onderzoekers werken eraan dit te repareren, maar het is een andere reden waarom je waarschijnlijk geen quantumcomputer zult hebben die je veel meer mechanische (en dus nauwkeurige) processor vervangt.

Conclusie: verwarring, maar dat is oke

"Dat is het enige onderdeel van Microsoft, waar ze dia's plaatsen die ik echt niet begrijp. Ik ken veel fysica en veel wiskunde. Maar de enige plek waar ze dia's plaatsen en het is hiërogliefen, het is een kwantum. "- Bill Gates

Hieraan troost: de meeste mensen hebben geen idee hoe het spul in hun computer werkt, en zelfs degenen die wel een idee hebben, begrijpen er waarschijnlijk niet alles van. Het beste aan het specialiseren van de manier waarop we doen, is dat je geen idee hebt hoe je processor werkt om er geweldige dingen mee te doen, en hetzelfde geldt voor quantumcomputers. Het belangrijkste verschil is dat je Intel i7 weliswaar behoorlijk netjes is, maar als je erover leert, zul je waarschijnlijk niet de aard van de werkelijkheid in vraag stellen.