Categorieën
Artificial Intelligence Computers

De Quantumcomputer.

Rond 1995 kwamen de eerste computers min of meer voor de consument beschikbaar. Toen was (en is) dat een hele revolutie. Een computer met wel 4mb geheugen en floppy schijven waarop wat geschreven kon worden. Daarvoor waren er in de jaren 70 al zogenaamde mainframe computers. Dat waren enorme kasten. En werden toen voornamelijk gebruikt door bedrijven. Administratieve medewerkers ” codeerden” op papier cijfertjes die door zogenaamde ponsband typistes werden ingetikt op stroken papier die dan weer konden worden ingelezen op de mainframe computer voor verdere verwerking.

Toch zijn onze modernste supercomputers feitelijk alweer verouderd. Er is een nieuw soort computer op komst die onze huidige super computers tot ‘klassieke’ computers degraderen. We hebben het dan over de Quantumcomputer. Maar ook en dat kan haast niet anders ook over een nieuw soort internet.

En ja, het is nog allemaal niet helemaal technisch gerealiseerd, maar het wordt wel onze toekomst..want inmiddels is dit artikel niet helemaal up to date meer, maar geeft een goed beeld van de basisprincipes.

In China is men inmiddels alweer een stap verder gekomen. Hierover volgt binnenkort een apart artikel.


Het hierna volgende artikel dat gepubliceerd werd door de Universiteit van Leiden geeft een uitleg over de quantumcomputer.

Een citaat uit het artikel:

“Bouwstenen voor een revolutionair rekenapparaat

De wereldwijde race naar de quantumcomputer is in volle gang. Deze computer kan rekenklussen aan waarvan we nu alleen maar dromen, zoals het razendsnel vinden van eiwitten die als medicijn kunnen dienen. Leidse natuurkundigen ontdekten hoe je het Majorana-deeltje als bouwsteen voor deze quantumcomputer zou kunnen inzetten. Samen met onderzoeksgroepen in Delft hopen zij de eerste quantumcomputer ter wereld te bouwen.”

Het artikel is hier te vinden (bron): Universiteit Leiden.nl

Hieronder volgt het artikel van deze universiteit dat een overzichtelijk beeld geeft over deze aankomende nieuwe revolutie..


De Quantumcomputer

Bouwstenen voor een revolutionair rekenapparaat

De wereldwijde race naar de quantumcomputer is in volle gang. Deze computer kan rekenklussen aan waarvan we nu alleen maar dromen, zoals het razendsnel vinden van eiwitten die als medicijn kunnen dienen. Leidse natuurkundigen ontdekten hoe je het Majorana-deeltje als bouwsteen voor deze quantumcomputer zou kunnen inzetten. Samen met onderzoeksgroepen in Delft hopen zij de eerste quantumcomputer ter wereld te bouwen.

Barrière voor de klassieke computer

In een mobieltje zit tegenwoordig meer rekenkracht en geheugen dan in een supercomputer uit de jaren zeventig, en die ontwikkeling gaat nog steeds door.  Toch loopt dit type ‘klassieke’ computer tegen een onoverkomelijke barrière aan. Een bekend voorbeeld van zo’n barrière is de kortste route tussen steden. Voor twintig steden kan een klassieke computer nog alle mogelijke routes nalopen, maar met iedere stad erbij verveelvoudigt het aantal routes. Al bij honderd steden zou het eeuwen duren om de kortste route te vinden. 

Een quantumcomputer vindt de kortste route niet door van alle routes de lengte te bepalen, maar door ze allemaal in één keer met elkaar te vergelijken, waarna de kortste er vrijwel meteen uit rolt. Het klinkt als tovenarij, maar het is bewezen dat dit in principe kan.
Dit geldt voor veel wetenschappelijke berekeningen: we weten hoe het moet, maar het aantal mogelijkheden wordt voor een klassieke computer al snel te groot. Als die barrière wegvalt, kunnen we gaan uitrekenen welk molecuul het perfecte geneesmiddel is voor een ziekte. Of welk materiaal bij kamertemperatuur nog supergeleidend is, wat een enorme impact zou hebben op onze energievoorziening. Ook zouden we in veel gevallen zeer dure experimenten kunnen vervangen door veel 

goedkopere, bijna perfecte quantumcomputersimulaties.

De ontwikkeling van de quantumcomputer is de laatste jaren in een stroomversnelling geraakt, en veel deskundigen denken nu dat deze in een jaar of tien gebouwd kan worden. Leidse natuurkundigen onderhouden intensieve contacten met QuTech, een groot samenwerkingsverband van Delftse onderzoeksgroepen dat wordt gesponsord door Microsoft. Leiden vormt als het ware de denktank voor de futuristische quantumfabriek QuTech.

Zoeken naar de ideale qubit

Voor de klassieke computer is de kleinste informatie-eenheid de bit, die de waarde 0 of 1 heeft. Fysiek kan een bit een elektronisch schakelaartje zijn dat aan of uit staat. Elke moderne chip bevat er miljoenen. De quantumcomputer rekent echter met qubits, die – in een variabele mix – de waarde 0 én 1 hebben. Een qubit is iets waar het gezond verstand niet bij kan; het is een product van de bijna magische quantumwereld.  

Goed functionerende qubits vormen de sleutel tot de quantumcomputer. In Leiden wordt onderzoek gedaan naar meerdere types, zoals de qubit gevormd door een paar Majorana-deeltjes, en de qubit die bestaat uit één elektron 

dat gevangen zit in een microscopisch klein kooitje, een quantum dot.
De quantumcomputer bevat supergeleidende onderdelen, waar elektrische stroom zonder enige weerstand doorheen loopt. Dat lukt alleen bij temperaturen rond de 270 graden onder nul. De Leidse natuurkunde heeft van oudsher veel expertise met supergeleiding en het werken bij zulke extreem lage temperaturen.

Kraken van geheimschriften

Alleen al de mogelijkheid dat een quantumcomputer ooit gebouwd wordt heeft al impact. Een veelgebruikt, nu nog niet te ontcijferen geheimschrift, RSA, is door de quantumcomputer in een mum van tijd te kraken. Geheime diensten weten dat ook, en slaan afgeluisterde, RSA-versleutelde data op. Dus kan je RSA nu al niet meer gebruiken voor data die je nog tien jaar of langer geheim wilt houden.   

Als wetenschappers er in slagen de quantumcomputer te bouwen, wordt het geen concurrent van de PC of de tablet. Theoretisch fysicus Carlo Beenakker: ‘Het zal een enorm apparaat worden, ter grootte van een sporthal, en hij zal een paar miljard euro kosten. Maar dat is geen probleem, dat kost een fabriek voor computerchips nu ook, en die worden ook gebouwd.’

Nadenken over het quantuminternet

Quantumcomputers verdienen een quantuminternet. Dit is een netwerk dat informatie niet in de vorm van bits – nullen en enen – verstuurt, maar als qubits, net als in de quantumcomputer zelf. In de visie van Dirk Bouwmeester, hoogleraar verbonden aan de Leidse onderzoeksgroep Quantum Matter & Optics, zal een cloud van goedkope mini-satellieten dit netwerk over de hele wereld gaan uitrollen. Dit netwerk maakt het onder meer mogelijk om boodschappen absoluut veilig te versturen.

Geen twijfel meer

‘De quantumcomputer komt er, 100 procent zeker’, zegt Dirk Bouwmeester. Een paar jaar geleden zou hij dit nog niet zo stellig gezegd hebben, maar sindsdien zijn er zoveel technische doorbraken geweest, dat bij hem de twijfel verdwenen is. Het eerste prototype zou zelfs al over een jaar of vijf gebouwd kunnen zijn. Bouwmeester won in 2014 een Spinoza-premie, de hoogste wetenschappelijke onderscheiding in Nederland, voor zijn onderzoeksprogramma naar de uiterste consequenties van de quantumtheorie. Hij is ook nauw betrokken bij het onderzoek aan ‘kunstmatige atomen’ die door middel van infraroodfotonen communiceren.

Een qubit kan je niet versterken

Ditzelfde principe wil hij benutten om twee quantumcomputers over grote afstanden aan elkaar te koppelen. Als die door middel van qubits met elkaar kunnen communiceren, ontstaat een quantuminternet dat de mogelijkheden van de quantumcomputer naar een heel nieuw niveau zal tillen, net als het internet heeft gedaan met de klassieke computer.  Het quantuminternet zal het huidige internet niet overbodig maken, maar daar een aanvulling op zijn.

Computers communiceren nu met lichtsignalen via glasvezels. Zo’n lichtsignaal is een soort morse-code: aan-uit, aan-uit, wat overeenkomt met de waarde 0 of 1 van een bit. Over grote afstanden, bijvoorbeeld van Europa naar de VS, moeten er regelmatig versterkers in de glasvezelkabel zitten, omdat het signaal anders te veel uitdooft. Zo’n versterker meet de opeenvolging van nullen en enen, en stuurt die versterkt weer door.
Maar met qubits kan dit niet. Zodra je de waarde van een qubit meet, komt daar 0 of 1 uit, en is de qubit geen mix meer van 0 en 1 tegelijk, maar gewoon een bit. Om quantumcomputers in hun eigen taal te laten communiceren, is een quantum repeater nodig.

Keten van kunstmatige atomen

Een quantum repeater is heel wat ingewikkelder dan een glasvezel met versterkers. Het komt er op neer, dat tussen twee quantumcomputers een keten van tussenstations komt. Elk tussenstation zendt naar zijn linker- en rechterbuurstation  paren fotonen uit die met elkaar verstrengeld zijn. Die worden ingevangen door een kunstmatig atoom in het buurstation en vervolgens dusdanig uitgelezen dat er  quantumverstrengeling ontstaat tussen steeds verder uit elkaar gelegen stations, totdat de gehele afstand is overbrugd. Het uiteindelijke resultaat is dat je de quantuminformatie die in de qubit aan het ene uiteinde van de keten zat kan teleporteren naar het andere uiteinde, zonder enige verstoring of uitdoving.

Mini-satellietjes

Het ligt voor de hand om dit niet meer via glasfibers te doen, maar via satellieten. Een voormalig promovendus van Bouwmeester, William Marshall heeft een bedrijf (Planet Labs) opgericht dat een groot aantal minisatellieten in de ruimte heeft voor het maken van beeld opname van de gehele aarde. Een dergelijke cloud van optische mini-satellietjes, elk niet zwaarder dan een kilogram, zou de aarde met een netwerk van quantum-repeaters kunnen omhullen.

Het gewone internet zal ook blijven bestaan, er is geen reden om facebook en dagelijkse e-mail via het quantuminternet te versturen. Maar met het quantuminternet kun je meerdere quantumcomputers samenvoegen tot een nog krachtiger apparaat, en je kunt er gecodeerde boodschappen mee uitwisselen die absoluut veilig zijn, omdat je het meteen merkt als iemand probeert het signaal af te luisteren. Dit laatste thema heet quantumgeheimschrift en is nu al in een vergevorderd stadium van ontwikkeling.

Fundamenteel onderzoek

Naast het ontwikkelen van elementen voor een quantuminternet is Bouwmeester op zoek naar fundamentele beperkingen aan de vorming van quantumverstrengeling. Er is nog veel onbekend over de hoe de quantumtheorie doorwerkt in de evolutie van het heelal en het leven zoals wij dat ervaren. Het is lang niet uitgesloten dat bijvoorbeeld zwaartekracht een rol speelt in de overgang van de quantum wetmatigheden naar de klassieke wetmatigheden voor grootschalige voorwerpen. Om de experimenten die dit thema bestuderen verder te ontwikkelen, is een uitbreiding naar optische experimenten in de ruimte wellicht noodzakelijk. Dit zal in de nabije toekomst het onderzoek aan het quantuminternet, quantumgeheimschrift en grootschalige quantumeffecten met elkaar combineren.

‘Waar ik op wil inzetten, is onderzoek dat technisch enorm moeilijk is voor een universiteit. Maar dankzij de gecombineerde expertise van mijn onderzoeksgroep in Santa Barbara op het gebied van halfgeleiderfabricage, en mijn groep in Leiden op het gebied van quantumoptica, zijn we in een unieke positie om dit tot een succes te maken.’

Een promotiefilmpje van het bedrijf Planet Labs. Een soortgelijk netwerk van minisatellieten, elk niet zwaarder dan een kilogram, zou de aarde met een netwerk van quantum-repeaters kunnen omhullen.

Één reactie op “De Quantumcomputer.”

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s