Kwantum computing

No comments »
AUTHOR:
CTO Dell EMC Nederland
CATEGORIES:

Afgelopen week publiceerden onderzoekers van IBM, de Universiteit van Waterloo en de TU van München resultaten van een bijzonder experiment waarbij werd bewezen dat kwantumcomputers dingen kunnen die gewone computers echt niet kunnen. Dit is nog nooit zo duidelijk aangetoond. Het voordeel van kwantum computing is hiermee voor het eerst echt bewezen; ze kunnen berekeningen uitvoeren die de huidige computer zelfs in de verre toekomst nooit zal kunnen uitvoeren.

Een van de onderzoekers vertelde dat kwantum informatie processing werkelijk voordelen oplevert: we hoeven niet meer te terug te vallen op onbewezen complexe theorieën. Zij bouwden een simpel kwantum circuit dat complexe algebraïsche formules kan oplossen door het toepassen van kwantumfysica, namelijk toelaten dat op twee verschillende plaatsen precies dezelfde dingen gebeuren. De formule kan volgens de onderzoekers niet worden opgelost als men klassieke computercircuits gebruikt.

Parallel computing
Kwantumcomputers kunnen bepaalde berekeningen veel beter oplossen dan klassieke computers dat kunnen. Deze verwachting is gebaseerd op een complexe theorie waar de verschillen tussen de twee verschillende soorten computing worden vergeleken. Maar het bleek tot nu altijd lastig ook daadwerkelijk aan te tonen dat wat de kwantumcomputer wel op kon lossen, nooit door de klassieke computer opgelost zou kunnen worden. Bij de klassieke computer zou die berekening uiteindelijk logaritmisch zulke grote waarden aannemen, dat het waarschijnlijk zo goed als onoplosbaar zou worden.

Hier komt het voordeel van de zogenaamde kwantum non-lokaliteit om de hoek: het in één keer parallel kunnen uitvoeren van dezelfde berekening over een zeer grote hoeveelheid data. Het lijkt op ‘Massive Parallel Processing’ (MPP) dat al veel bij big data analyses wordt toegepast, maar daar moet nog altijd gebruikt gemaakt worden van vele parallelle processoren. In een kwantumcomputer kan diezelfde berekening door slechts één bijzondere processor in één keer worden uitgevoerd.

De elementaire computereenheid in kwantumcomputing is een qubit, kort voor quantumbit. Hoewel een klassiek bit altijd 0 of 1 is, kan een qubit een ‘combinatie’ van 1 en 0 aannemen. Maar twee qubits kunnen tegelijkertijd al vier waarden aannemen. De potentiële rekenkracht verdubbelt zich dus wanneer je een extra qubit toevoegt door verstrengeling. Als het aantal qubits groeit, wordt een kwantumcomputer exponentieel krachtiger. De qubits, samen met de bewerkingen die je op hen toepast, worden een circuit genoemd.

Priemgetallen
Kwantum computing staat al vele jaren in de belangstelling en vooral IBM is de kartrekker van veel onderzoek op dit gebied. In mei 2016 heeft IBM zelfs een echte 5-qubit machine online gezet waar intussen meer dan 100.000 personen gebruik van hebben gemaakt. Zij ontwikkelden daar software op het open source Qiskitkwantum computing software development framework.

In 1994 formuleerde Peter Shor zijn kwantum algoritme: een algoritme dat op een kwantumcomputer draait en het probleem oplost om voor een geheel getal N heel snel zijn factoren te berekenen. Dit klinkt ingewikkeld maar het is in feite de rekenwijze om heel snel een priemgetal gebaseerd algoritme zoals het RSA-schema heel snel te kunnen oplossen. Een kwantumcomputer zou dit veel sneller kunnen oplossen dan de duizenden jaren die een klassiek computer er op dit moment over doet.

Uitdagingen
Er zijn echter nog heel veel problemen te overwinnen voordat kwantum computing snel en betrouwbaar beschikbaar komt. Allereerst moeten de miljoenen en miljoenen qubits van hoge kwaliteit met een minimale foutkans kunnen samenwerken. Ten tweede gaat het om ‘sneller worden dan elke bekende methode op een klassieke computer’.

Maar omdat we geen efficiënte manier kennen om willekeurige grote aantallen op klassieke computers te berekenen, lijkt dit een uitdagend probleem. Het is immers niet bewezen dat het voor gewone computers een moeilijk of onmogelijk probleem is. Als iemand volgende week met een verbazingwekkende nieuwe aanpak komt met behulp van een klassieke computer die net zo snel werkt als Shor’s, dan is het vermoeden dat het onmogelijk is, onwaar. We weten gewoon niet of de klassieke computer ooit zo snel kan worden als de kwantum computer.

Coherentietijd en diepte
Moeten we dan niet gewoon wachten op goede ideeën om slimmer te worden met klassieke computers? Het antwoord is nee. Kwantumcomputers zijn bij sommige dingen écht al sneller. En dit is naast alleen theorie nu ook in de praktijk bewezen. De qubits van vandaag zijn echter zeker nog niet perfect: ze bestaan maar voor een korte bepaalde tijd – de coherentietijd – en worden dan chaotisch. Daarnaast hebben ze nog steeds kleine foutenpercentages die de uitkomst beïnvloeden.

Omdat elke bewerking die je op een qubit toepast enige tijd kost, kun je slechts een beperkt aantal bewerkingen uitvoeren voordat die coherentietermijn wordt bereikt. We noemen het aantal bewerkingen dat je uitvoert ‘de diepte’. De totale diepte van een kwantumcircuit is het minimum van alle dieptes per qubit. Voor praktische circuits is het dus nog belangrijk om slechts minimale dieptes te accepteren. Daar maakt IBM op dit moment op zijn online platform gebruik van en daarmee is het praktische voordeel van kwantumcomputing nu ook echt bewezen. Zoals ook de titel het Science artikel zegt ‘Kwantumvoordeel met ondiepe circuits’.

Toekomst
Kwantum computing zal de komende jaren verder vooruitgaan door het gezamenlijke wetenschappelijke onderzoek van natuurkundigen, materiaalwetenschappers, computerwetenschappers, wiskundigen en engineers. De wiskunde die ten grondslag ligt aan kwantumcomputing is uiteindelijk net zo belangrijk als de glanzende cryostaten die we nodig hebben om onze kwantumapparaten te laten functioneren. De wetenschappelijke vooruitgang moet worden gevierd om te laten zien dat kwantumcomputing echt, serieus en op de juiste weg is om belangrijke voordelen te bieden op veel toepassingsgebieden.

Het zal nog tientallen jaren duren voordat deze research zich in praktische en breed toepasbare techniek heeft vertaald, maar het bewijs van het kwantumvoordeel is een fantastische stap vooruit. Complimenten aan IBM, die hier al tientallen jaren veel energie insteekt en nu eindelijk een fysiek bewijs in handen heeft dat de theorie ook in de praktijk blijkt te werken.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.