Hoe werkt een kwantumcomputer?

Ook al geven we het niet graag toe, de wetenschap en technologie zitten vol met “hypes”, ontwikkelingen met een buitengewoon potentieel en spectaculaire beloftes die nooit worden waargemaakt. Koude kernfusie en grafeen zijn twee goede voorbeelden, maar als we de marktleiders van dichtbij bestuderen, ontdekken we dat ze niet kunnen stoppen met praten over kwantumcomputers. Wat willen ze ermee doen? Hoe werkt een kwantumcomputer? Vandaag gaan we de antwoorden op die vragen verkennen.

Nullen en enen... en meer

Ons digitale leven is een eindeloze dans van enen en nullen. Dit artikel, de browser die je gebruikt, je besturingssysteem. Foto's, video's, muziek, games, werk, examens. Liefde? Geld? Ook zij ontkomen niet aan de bits. Afgezien van enkele specifieke omstandigheden die een bit spontaan kunnen “veranderen” en chaos kunnen zaaien, werken ze gewoon en hebben ze ons uitstekend gediend.

De computerontwikkeling van de afgelopen decennia was (en is nog steeds) gericht op het verwerken van meer bits, en sneller. Onze vooruitgang komt echter snel dichter bij fysieke grenzen waar we niet aan kunnen ontsnappen. Met componenten die de grootte van een atoom naderen, is de kwantumfysica onze belangrijkste “vijand”... maar wat als we haar in een “bondgenoot” veranderen? Welkom bij de kwantumcomputer.

Hoe werkt een kwantumcomputer?

(Noot van de redactie: Ondertitels in het Spaans)

Over het algemeen is het idee van een kwantumcomputer om kwantumeigenschappen te gebruiken om bewerkingen uit te voeren. In een conventionele computer is de bit de kleinste eenheid van informatie, met 0 en 1 als mogelijke toestanden. Maar in een kwantumcomputer hebben we de qubit (“kwantumbit”), die 0, 1... of een verhouding van beide kan zijn. Dat brengt ons bij de beroemde kwantumsuperpositie: zolang hij niet wordt waargenomen, geëvalueerd of gemeten, bevindt de qubit zich in superpositie, maar zodra je er iets mee doet, moet hij instorten tot een van zijn definitieve toestanden. Schrödingers kat, maar dan met bits.

Ja, maar het is nog ingewikkelder...

Bij de vorige paragraaf moeten we het concept van kwantumverstrengeling optellen. Het gaat in wezen om een verbinding of koppeling waardoor een qubit reageert op de verandering van de toestand van een andere qubit. Deze reactie is onmiddellijk en wordt niet beïnvloed door de afstand tussen de qubits. Waarom is dit belangrijk? Omdat we bij het meten van een verstrengelde qubit de eigenschappen van zijn partner kunnen berekenen zonder extra observatie.

Maar alles wat we tot nu toe hebben gezegd is de 'eenvoudige versie' van de kwantumcomputer. Scott Aaronson, professor in de computerwetenschappen aan de Universiteit van Texas (Austin) en een van de belangrijkste experts op het gebied van kwantumcomputing, legt uit dat de kwantummechanica werkt met amplitudes. En de qubit is een bit met een amplitude voor 0 en een voor 1. Een van de fundamentele doelen van kwantumcomputers is dat alle amplitudes die naar verkeerde resultaten leiden elkaar opheffen, en dat de overblijvende amplitudes dienen om tot het juiste antwoord te komen.

Om dit te bereiken zijn de huidige ontwerpen van kwantumcomputers afhankelijk van supergeleiding. De chip is niet veel groter dan een traditionele processor en gebruikt een reeks 'spoelen' waarin twee kwantumtoestanden van stroom vloeien. De spoelen kunnen met elkaar interageren met behulp van Josephson-overgangen. Dat leidt tot het genereren van verstrengelde toestanden. De interactie tussen qubits is volledig programmeerbaar, en om dit alles te laten werken moet het systeem worden gebracht tot een temperatuur die zeer dicht bij het absolute nulpunt ligt.

Het probleem

Toen de eerste laser in 1960 werd gebouwd, omschreef de maker Theodore Maiman hem als “een oplossing die op zoek is naar een probleem”. En vanuit een bepaald oogpunt kunnen we hetzelfde zeggen over de kwantumcomputer. We hebben een vrij goed idee van het potentieel, maar het moet niet alleen een sprong in kwaliteit maken, maar ook in kwantiteit.

De beste kwantumcomputers hebben gemiddeld 50 qubits. De kwantumprocessor Sycamore van Google heeft in totaal 53 qubits, en het Chinese systeem Jiuzhang bereikte 76. De experts erkennen echter dat er een exponentiële groei nodig is, met computers die bestaan uit honderdduizenden qubits om nuttig werk te leveren en breedspectrumproblemen op te lossen.

Het eerste waar je aan denkt is een soort 'kwantumwet van Moore', maar dat zou niet genoeg zijn: terwijl de wet van Moore het aantal transistoren elke 18-24 maanden verdubbelde, moeten kwantumcomputers hun aantal qubits elke twaalf maanden of minder verdubbelen. Wat betekent dat? Tien jaar, op zijn minst.

Kwantumcomputer: toepassingen en uitdagingen

Natuurlijk zijn er genoeg redenen om alle uitdagingen aan te gaan die kwantumcomputing op ons pad werpt. Van geavanceerde simulaties van moleculen tot economische projecties, en ook nieuwe takken in onderwijs, geneeskunde en veiligheid: kwantumcomputers zullen veel markten creëren, en we moeten ons erop voorbereiden.

Het aspect van veiligheid verdient een apart hoofdstuk: onder de juiste omstandigheden (denk aan miljoenen qubits) zou een kwantumcomputer het RSA-cryptosysteem kunnen verpletteren, en als dat gebeurt... dan kunnen we maar beter een goed alternatief in werking hebben.