Terug naar de toekomst: 25 jaar later een herziening van quantum computing

Meer dan 25 jaar geleden, rond 1999, schreef ik een artikel over de toekomst van quantumcomputing. Het artikel werd gepubliceerd in de wetenschapsbijlage van een krant in Argentinië.

Het originele artikel kunt u hier lezen (in het Spaans) en via deze link kunt u een automatische vertaling bekijken.

Mijn artikel was destijds nogal speculatief.

Quantum computing wint tegenwoordig aanzienlijk aan populariteit en relevantie in technologische discussies.

TL;DR: Ik zal quantum computing op vijf niveaus uitleggen aan verschillende doelgroepen.

Kind

Een quantumcomputer is een soort superintelligente magische doos.

In plaats van de normale bits die in gewone computers worden gebruikt, worden er speciale magische bits gebruikt, qubits genaamd.

Deze qubits kunnen meer trucs dan normale bits.

Stel je voor dat je met een tol speelt. Een qubit is als een tol die veel trucjes tegelijk kan doen.

Deze magische computers zouden in de toekomst wellicht helpen bij het oplossen van onmogelijke puzzels van 100.000 stukjes.

Tiener

Stel je voor dat je met speciale bouwstenen kunt spelen die op veel plaatsen tegelijk gebruikt worden.

Quantumcomputers gebruiken iets soortgelijks: qubits.

Denk aan een magische munt die tegelijkertijd kop en munt kan zijn!

Een qubit kan 0, 1 of beide zijn, net als de munt die in de lucht ronddraait. Allemaal tegelijk.

Hierdoor kunnen quantumcomputers veel mogelijkheden tegelijkertijd onderzoeken.

Quantumcomputers zijn krachtig omdat ze geheime codes, zoals persoonlijke wachtwoorden, kunnen kraken.

Het is alsof je een superkrachtige rekenmachine hebt die heel moeilijke puzzels veel sneller kan oplossen dan een gewone computer.

Universitaire student

Een quantumcomputer werkt volgens de principes van de quantummechanica .

In plaats van klassieke bits gebruik je qubits, die zich in een toestand van kwantumsuperpositie bevinden.

Elke qubit kan tegelijkertijd 0 en 1 voorstellen, waardoor grootschalige parallelle berekeningen mogelijk zijn.

Denk maar aan de kat van Schrödinger: een beroemd gedachtenexperiment waarin een kat tegelijk levend en dood kan zijn.

Qubits werken op een vergelijkbare manier: ze kunnen zich in meerdere toestanden tegelijk bevinden.

Quantumcomputers kunnen grote getallen exponentieel sneller ontbinden dan klassieke computers, die openbare en persoonlijke sleutels in gecodeerde internetverbindingen kunnen kraken.

Deze mogelijkheid vormt een bedreiging voor traditionele cryptografie en blockchains die afhankelijk zijn van het factoringprobleem.

Onderzoekers onderzoeken ook de implicaties van quantum computing voor theorieën over het multiversum, aangezien qubits schijnbaar in veel realiteiten berekeningen kunnen uitvoeren.

Onlangs beweerde Google dat een quantumcomputer “quantum suprematie” had bereikt, waarmee een probleem werd opgelost dat klassieke computers niet binnen een redelijk tijdsbestek konden oplossen.

Uit een onderzoek in Nature bleek ook dat er nieuwe kwantummaterialen zijn die qubits kunnen stabiliseren.

Het vreemde is dat deze deeltjes kunnen suggereren dat er tegelijkertijd veel verschillende realiteiten bestaan, net als parallelle universums in sciencefictionfilms!

Afgestudeerde student

Quantum computing maakt gebruik van kwantumverschijnselen zoals superpositie, verstrengeling en interferentie.

Terwijl klassieke bits binair zijn, maken qubits gebruik van kwantumsuperpositie om meerdere toestanden tegelijkertijd weer te geven.

Kwantumverstrengeling zorgt ervoor dat qubits met elkaar verbonden blijven, zelfs over grote afstanden, waardoor zeer efficiënte algoritmen mogelijk worden.

Met behulp van quantumpoorten kun je qubits manipuleren, waardoor je quantumcircuits kunt maken om quantumalgoritmes uit te voeren.

Het algoritme van Shor maakt het mogelijk gehele getallen in polynomiale tijd te ontbinden, wat een directe bedreiging vormt voor RSA-cryptografie en het P versus NP-probleem oplost.

Op vergelijkbare wijze biedt het algoritme van Grover kwadratische versnellingen voor ongestructureerde zoekproblemen.

Deze ontwikkelingen leiden tot zorgen over de beveiliging van digitale systemen tegen kwantumdreigingen.

Speculatie over meerdere werelden ontstaat omdat qubits in superpositie mogelijk interacteren met andere realiteiten, zoals wordt verondersteld in Hugh Everetts Many-Worlds Interpretation.

De Kopenhaagse interpretatie suggereert dat kwantumgedrag terugvalt tot één enkele uitkomst wanneer je het meet.

Het onderzoek van Google toonde de kwantumsuperioriteit (later kwantumvoordeel genoemd) aan door een rekentaak in seconden op te lossen, waar klassieke supercomputers duizenden jaren over zouden doen.

Deskundige

Quantum computing gebruikt de principes van kwantumsuperpositie, -verstrengeling en unitaire evolutie om informatie te verwerken.

Qubits overstijgen klassieke logische poorten door informatie te coderen in een multidimensionale Hilbertruimte , waardoor een exponentiële toestandsruimte mogelijk wordt.

Algoritmen zoals dat van Shor ontbinden semi-priemgetallen in polynomiale tijd, waardoor cryptosystemen zoals RSA en ECC worden ondermijnd.

Het algoritme van Grover laat kwadratische optimalisatie zien voor zoektaken, wat een cruciale klasse van kwantumvoordeel vertegenwoordigt.

De interpretaties van de kwantummechanica die aan deze systemen ten grondslag liggen, verschillen: de Kopenhagen-interpretatie veronderstelt dat de golffunctie tijdens de meting instort.

De Many-Worlds Interpretation suggereert dat de uitkomsten van berekeningen parallelle universums beslaan, totdat observaties ze samenvoegen tot één geheel.

Dit leidt tot debatten over kwantumparallellisme tussen multiversale toestanden.

Google's demonstratie van kwantumsuperioriteit maakte gebruik van een 54-qubit Sycamore-processor om een bemonsteringsprobleem in 200 seconden op te lossen, terwijl dit op de krachtigste supercomputers ter wereld naar schatting 10.000 jaar zou duren.

De Planck-schaal (10^-35 m) duidt op een fundamentele korreligheid van de ruimtetijd, wat mogelijk de rekenkracht van kwantumcomputers beperkt.

Uit verslagen van Nature blijkt dat er vooruitgang is geboekt bij het stabiliseren van qubits door middel van topologische kwantumfoutcorrectie en fouttolerante ontwerpen, die essentieel zijn voor praktische kwantumberekeningen.

Bent u enthousiast over de kwantumtoekomst?