Wat is kwantumcomputing?
Kwantumcomputing biedt de belofte om een aantal van de grootste uitdagingen van onze planeet op te lossen: op het gebied van milieu, landbouw, gezondheid, energie, klimaat, materiaalwetenschap en meer. Voor sommige van deze problemen wordt klassieke computing steeds moeilijker naarmate de grootte van het systeem groeit. Wanneer kwantumsystemen zijn ontworpen om te schalen, hebben ze waarschijnlijk mogelijkheden die groter zijn dan die van de krachtigste supercomputers van vandaag.
In dit artikel worden de principes van kwantumcomputing uitgelegd, hoe deze zich verhoudt tot klassieke computing en hoe deze gebruikmaakt van de principes van kwantummechanica.
Geschiedenis van kwantumcomputing
Het idee van een kwantumcomputer is ontstaan uit de moeilijkheid van het simuleren van kwantumsystemen op een klassieke computer. In de jaren '80 stelde Richard Feynman en Yuri Manin onafhankelijk voor dat hardware op basis van kwantumverschijnselen efficiënter zou kunnen zijn voor de simulatie van kwantumsystemen dan conventionele computers.
Er zijn veel redenen waarom kwantummechanica zo moeilijk te simuleren is. Het eenvoudigste is om te zien dat materie, op kwantumniveau, zich in een groot aantal mogelijke configuraties (ook wel statussen genoemd) bevindt.
Kwantumtoestanden groeien exponentieel
Overweeg een systeem van elektronen waar er 40$ mogelijke locaties zijn$, waar elke locatie een elektron kan hebben of niet. Het systeem kan zich daarom in een van $de 2^{40}$ configuraties bevinden (omdat elke locatie twee mogelijke configuraties heeft, ofwel een elektron hebben of leeg zijn). Voor het opslaan van de kwantumtoestand van de elektronen in een conventioneel computergeheugen zou meer dan $130$ GB geheugen nodig zijn! Als u het aantal mogelijke locaties verhoogt naar $41$, zijn er twee keer zoveel configuraties op $2^{41}$ die op zijn beurt meer dan $260$ GB geheugen nodig hebben om de kwantumstatus op te slaan.
Dit spel van het verhogen van het aantal locaties kan niet voor onbepaalde tijd worden gespeeld. Bij een paar honderd elektronen overschrijdt het geheugen dat nodig is om het systeem op te slaan het aantal deeltjes in het universum; er is dus geen hoop met conventionele computers om ooit kwantumdynamiek te simuleren.
Problemen omzetten in kansen
De observatie van deze exponentiële groei leidde tot het stellen van een krachtige vraag: kunnen we kwantumsystemen simuleren met behulp van een machine die precies dezelfde wetten van de natuurkunde exploiteert? En kunnen we die machine gebruiken om andere taken te onderzoeken die voor ons cruciaal zijn? Deze vragen leidden tot de genesis van Quantum Computing.
In 1985 toonde David Deutsch aan dat een kwantumcomputer efficiënt het gedrag van elk fysiek systeem kon simuleren. Deze detectie was de eerste indicatie dat kwantumcomputers konden worden gebruikt om problemen op te lossen die ontraceerbaar zijn op klassieke computers.
In 1994 ontdekte Peter Shor een kwantumalgoritme voor factoring gehele getallen die exponentieel sneller worden uitgevoerd dan het bekendste klassieke algoritme. Het oplossen van factoring maakt het mogelijk om veel van onze openbare-sleutelcryptografiesystemen te breken die tegenwoordig de beveiliging van e-commerce onderbouwen, waaronder RSA en Elliptic Curve Cryptography. Deze detectie leidde tot een enorme interesse in kwantumcomputing en leidde tot de ontwikkeling van kwantumalgoritmen voor veel andere problemen.
Wat is een qubit?
Net zoals bits het fundamentele object van informatie in klassieke computing zijn, zijn qubits (kwantumbits ) het fundamentele object van informatie in kwantumcomputing.
Een qubit is de basiseenheid van informatie in quantumcomputing. Qubits spelen een soortgelijke rol in quantumcomputing als bits in klassieke computing, maar ze gedragen zich op een heel andere manier. Klassieke bits zijn binair en kunnen slechts een positie van $0$ of $1$ bevatten, maar qubits kunnen een superpositie van alle mogelijke toestanden bevatten. Dit betekent dat een qubit een toestand van 0, 1 of een kwantumsuperpositie van de twee kan hebben. Er zijn oneindig mogelijke superposities van 0 en 1, en elk van deze is een geldige qubitstatus.
In kwantumcomputing wordt de informatie gecodeerd in de superpositie van de toestanden 0 en 1. Met 8 bits kunt u bijvoorbeeld 256$ verschillende waarden coderen$, maar u moet een van deze waarden kiezen om deze te coderen omdat de 256 waarden niet naast elkaar kunnen bestaan. Met 8 qubits kunt u tegelijkertijd de 256 waarden coderen. Dit gedrag komt doordat een qubit zich in een superpositie van alle mogelijke toestanden kan bevindt.
Zie De qubit in kwantumcomputing voor meer informatie.
Wat zijn de vereisten voor het bouwen van een kwantumcomputer?
Een kwantumcomputer is een computer die gebruikmaakt van kwantummechanische verschijnselen. Kwantumcomputers gebruiken kwantumtoestanden van materie om informatie op te slaan en te berekenen. Zij kunnen &citeren; programma" kwantumverschijnselen om dingen sneller of beter te doen dan klassieke computers.
Het bouwen van een kwantumcomputer is een complexe technische uitdaging die een grondige kennis van kwantummechanica vereist en de mogelijkheid om kwantumsystemen op de kleinste schaal te beheren. Bij het bouwen van een kwantumcomputer is het essentieel om na te denken over het maken van de qubits, en ook over het opslaan, manipuleren en lezen van de resultaten van de berekeningen.
Daarom werken wetenschappers en technici aan verschillende qubittechnologieën om kwantumcomputers te bouwen, omdat elke technologie zijn eigen voor- en nadelen heeft. De meeste gebruikte qubittechnologieën zijn gevangen-ion-qubits, supergeleidende qubits en topologische qubits. Voor sommige methoden van qubitopslag wordt de eenheid met de qubits op een temperatuur in de buurt van absolute nul gehouden om hun samenhang te maximaliseren en interferentie te verminderen. Bij andere typen systemen die qubits bevatten, wordt gebruikgemaakt van een vacuümkamer om trillingen te minimaliseren en de qubits te stabiliseren. Signalen kunnen naar de qubits worden verzonden met behulp van diverse methoden, waaronder microgolven, lasers en spanningsverschillen.
De vijf criteria voor een kwantumcomputer
Een goede kwantumcomputer moet deze vijf functies hebben:
- Schaalbaar: het kan veel qubits hebben.
- Initialiseerbaar: de qubits kunnen worden ingesteld op een specifieke status (meestal de status 0).
- Tolerant: het kan de qubits lang in superpositiestatus houden.
- Universeel: Een kwantumcomputer hoeft niet elke mogelijke bewerking uit te voeren, alleen een set bewerkingen genaamd universele set. Een reeks universele kwantumbewerkingen is zodanig dat elke andere bewerking kan worden opgesplitst in een reeks ervan.
- Betrouwbaar: Het kan de qubits nauwkeurig meten.
Deze vijf criteria worden vaak bekend als de di-Overeenkomto-criteria voor kwantumberekeningen.
Het bouwen van apparaten die aan deze vijf criteria voldoen, is een van de meest veeleisende technische uitdagingen die ooit door de mensheid worden geconfronteerd. Azure Quantum biedt verschillende kwantumcomputingoplossingen met verschillende qubittechnologieën. Zie de volledige lijst met Azure Quantum-providers voor meer informatie.
Kwantumverschijnselen begrijpen
Kwantumverschijnselen zijn de fundamentele principes die kwantumcomputing onderscheiden van klassieke computing. Het begrijpen van deze verschijnselen is van cruciaal belang voor het begrijpen van hoe kwantumcomputers werken en waarom ze zo'n potentieel hebben. De twee belangrijkste kwantumverschijnselen zijn superpositie en verstrengeling.
Superpositie
Stel, u doet lichamelijke oefeningen in uw woonkamer. U draait helemaal naar links en vervolgens helemaal naar rechts. Draai nu tegelijkertijd naar links en rechts. Dat kunt u niet (tenzij u zichzelf in tweeën kunt splitsen). Natuurlijk kunt u zich niet in twee standen tegelijk bevinden: u kunt niet op hetzelfde moment zowel naar links als naar rechts kijken.
Als u echter een kwantumdeeltje bent, is er een bepaalde kans dat u naar links kijkt én een bepaalde kans dat u naar rechts kijkt als gevolg van het verschijnsel superpositie (ook wel bekend als coherentie).
In tegenstelling tot klassieke deeltjes, als twee toestanden $A$ en $B$ geldige kwantumtoestanden van een kwantumdeeltje zijn, is elke lineaire combinatie van de toestanden ook een geldige kwantumtoestand: $\text{qubitstatus}=\alpha A + \beta B$. Deze lineaire combinatie van kwantumtoestanden $A$ en $B$ wordt superpositie genoemd. $\alpha$ Hier en $\beta$ zijn de waarschijnlijkheidsamplitudes van $respectievelijk A$ en $B$, zodanig dat $|\alpha|^{2}{ + |\beta|^{2}= 1$.
Alleen kwantumsystemen zoals ionen, elektronen of supergeleidende circuits kunnen bestaan in de superpositietoestanden die de kracht van kwantumcomputing mogelijk maken. Een kwantumdeeltje zoals een elektron heeft een eigen eigenschap 'naar links of rechts gericht', namelijk spin, aangeduid als omhoog of omlaag, zodat de kwantumtoestand van een elektron een superpositie van " spin up" en " spin-down".
Als u meer wilt leren en oefenen met superpositie, raadpleegt u de trainingsmodule: Superpositie verkennen met Q#.
Verstrengeling
Verstrengeling is een kwantumcorrelatie tussen twee of meer kwantumsystemen. Wanneer twee qubits zijn verstrengeld, worden ze gecorreleerd en worden de gegevens van hun statussen gedeeld, zodat de kwantumstatus van afzonderlijke qubits niet onafhankelijk kan worden beschreven. Met kwantumverstrengeling kunt u alleen de kwantumstatus van het globale systeem kennen, niet de afzonderlijke statussen.
Verstrengelde kwantumsystemen onderhouden deze correlatie zelfs wanneer ze worden gescheiden over grote afstanden. Dit betekent dat elke bewerking of elk proces dat u op het ene subsysteem toepast, ook correleert met het andere subsysteem. Het meten van de toestand van één qubit biedt dus informatie over de toestand van de andere qubit. Deze specifieke eigenschap is zeer nuttig in kwantumcomputing.
Als u meer wilt weten, raadpleegt u Zelfstudie: Kwantumverstrengeling verkennen met Q# en voor een praktische implementatie bekijkt u de trainingsmodule: Teleport a qubit met behulp van verstrengeling.