Wat is een quantumcomputer?

Laatste wijziging: zondag 14 december om 19:07, 2468 keer bekeken
 
Groningen, zondag 14 december 2008
wowiezowie

Door: Marjet Verwelius

Al in de jaren zeventig begrepen computerwetenschappers dat als de technologie zich zou blijven ontwikkelen volgens de wet van Moore, er uiteindelijk een punt zou worden bereikt waarop de schakelingen in chips niet groter dan een paar atomen zijn. Omdat er op subatomair niveau andere natuurkundige wetten gelden dan op macroniveau, rees vervolgens de vraag of we een nieuw soort computer zouden kunnen ontwikkelen, die gebaseerd is op de vreemde principes van de quantummechanica. Er wordt inmiddels zo naarstig gezocht naar de quantumcomputer dat de Heilige Graal er bij verbleekt tot een wijnglas van IKEA.

Quantummechanica

Er wordt vaak beweerd dat van alle theorieen die in de 20e eeuw zijn bedacht, quantummechanica de meest bizarre is. Er zijn zelfs wetenschappers die stellen dat het enige dat voor de quantummechanica pleit, haar onweerlegbare gelijk is.

Waar de klassieke natuurkunde, die van voor de quantummechanica, er van uit ging dat we alles in het universum exact kunnen weten als we maar genoeg metingen doen en de metingen nauwkeurig genoeg zijn, daar leert de quantummechanica ons, tot onze grote ontsteltenis, dat we alleen de waarschijnlijkheid kunnen bepalen en dat de onzekerheid in het bepalen van die waarschijnlijkheid gekoppeld is aan andere onzekerheden. Volgt u het nog? Het zit zo: Als de ene onzekerheid kleiner wordt gemaakt, dan wordt de andere groter. Deze onzekerheid ontstaat niet door onnauwkeurigheid van de gebruikte apparatuur, maar is fundamenteel. Volgens een bepaalde zienswijze binnen de quantummechanica bestaan deeltjes zelfs niet eens totdat er een waarneming plaatsvindt.

Dat klinkt misschien allemaal vrij esoterisch, maar ons leven is doortrokken van verschijnselen die te maken hebben met juist die principes van de quantummechanica. Niet alleen de laser en de transistors in stereo-installaties berusten erop, maar ook de geleiding in metalen, de bouw van atomen en alledaagse verschijnselen als de stevigheid van vaste stof of spiegelingen in een ruit. 

Quantumcomputers

qc

Wat betekenen de ontdekkingen van de quantummechanica voor de ontwikkeling van onze computers?

Een ‘klassieke’ computer werkt met bits. Een bit is een fundamentele eenheid van informatie en wordt in de klassieke computer weergegeven als 0 of als 1. (Voor een uitgebreidere uitleg over hoe computers werken, zie: computers 101)

Een quantumcomputer maakt gebruik van de quantumeffecten verstrengeling en superpositie, die quantumdeeltjes zoals een elektron of foton onder bepaalde omstandigheden kunnen vertonen. 

  • Verstrengeling betekent dat er een mysterieuze verbinding bestaat tussen twee deeltjes die schijnbaar 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 (ook al is dat aan de andere kant van het universum).
  • Superpositie wil zeggen dat de spin van een deeltje (of het intrinsieke draaimoment) alle mogelijke waarden tegelijkertijd kan aannemen (in de klassieke natuurkunde heeft alles maar één mogelijke waarde). Sommige quantummechanische theorieen stellen dat dit mogelijk is omdat de deeltjes tegelijkertijd in alle mogelijke universa aanwezig zijn. Pas als wij een waarneming verrichten vervalt het deeltje van de onbepaaldheid van al zijn mogelijke toestanden naar een specifieke toestand.

    In een quantumcomputer is de fundamentele informatie-eenheid (een quantumbit, of qubit) niet binair maar eerder quaternair. Een qubit kan zich in een staat van 0, 1 of zowel 0 als 1 bevinden. Zo kan een qubit een waarde aannemen die bijvoorbeeld 70% 0 en tegelijkertijd 30% 1 is. Hierdoor kan men in theorie enorm snel parallel berekeningen uitvoeren die met conventionele computers onmogelijk zijn. Waar een klassieke computer 64 bits nodig heeft om 64 waardes uit te drukken, heeft een quantumcomputer over het algemeen slechts 5 qubits nodig.

    • Voorbeeld

    quantumapple.jpg

    Om een simpel voorbeeld te geven van de werking van een quantumcomputer ten opzichte van een normale computer, kunt u zich het volgende probleem voorstellen: Er zijn tien deuren en achter een van die deuren ligt een appel. Achter welke deur ligt die appel? De appel ligt achter deur nummer 8, maar de normale computer zal eerst deur nummer 1 openen, kijken of de appel daarachter ligt en zal daarna de deur sluiten en naar de volgende deur gaan. Dit proces zal de computer herhalen totdat hij de appel heeft gevonden. Een kwantumcomputer daarentegen zal alle deuren tegelijk openen en al na de eerste cyclus de appel achter deur nummer 8 vinden. (bron: Wikipedia)

    Praktijk

    Als we een volledig functionerende quantumcomputer zouden bouwen dan is een van onze eerste zorgen de beveiliging van informatie. Omdat quantumcomputers heel snel grote getallen kunnen factoriseren zouden onze huidige encryptiemethoden (voor bijvoorbeeld bankzaken) vrij eenvoudig te kraken zijn. Gelukkig kunnen we met quantumcomputers ook weer encryptiemethoden ontwikkelen die veel geavanceerder zijn dan de huidige, dus dat probleem zal zichzelf weer oplossen. Andere toepassingen van quantumcomputers zijn het veel sneller doorzoeken van databases, het onderzoeken van quantummechanische principes en zelfs het ontwerpen en bouwen van andere, betere quantumcomputers, waarmee we uiteindelijk in staat zullen zijn alles in dit universum na te bootsen en te onderzoeken. Dit heeft grote implicaties voor bijna alle gebieden van de wetenschap.

    Op dit moment staat de ontwikkeling van quantumcomputers nog in de kinderschoenen en veel computerwetenschappers denken dat het realiseren van een bruikbare quantumcomputer nog jaren in de toekomst ligt. Zo moeten quantumcomputers minimaal een paar dozijn qubits hebben voor praktische toepassingen. Evenzogoed zou ik nog even wachten met het aanschaffen van die nieuwe laptop:



    Bron: online