Wat is kwantumvoordeel? Het moment waarop extreem krachtige kwantumcomputers zullen verschijnen

Wat is kwantumvoordeel? Het moment waarop extreem krachtige kwantumcomputers zullen verschijnen

Tijdstempel: 17 november 2023 3:03 uur

Kwantumvoordeel is de mijlpaal waar het vakgebied van kwantumcomputers vurig naar toe werkt, wanneer een kwantumcomputer problemen kan oplossen die buiten het bereik van de krachtigste niet-kwantumcomputers of klassieke computers liggen.

Kwantum verwijst naar de schaal van atomen en moleculen waar de wetten van de natuurkunde zoals wij die ervaren, uiteenvallen en een andere, contra-intuïtieve reeks wetten van toepassing is. Kwantumcomputers profiteren van dit vreemde gedrag om problemen op te lossen.

Er zijn bepaalde soorten problemen onpraktisch voor klassieke computers om op te lossen, zoals het kraken van de modernste encryptie-algoritmen. Onderzoek van de afgelopen decennia heeft aangetoond dat kwantumcomputers het potentieel hebben om een ​​aantal van deze problemen op te lossen. Als er een kwantumcomputer kan worden gebouwd die daadwerkelijk een van deze problemen oplost, zal deze een kwantumvoordeel hebben opgeleverd.

ik ben een natuurkundige die kwantuminformatieverwerking en de controle van kwantumsystemen bestudeert. Ik geloof dat deze grens van wetenschappelijke en technologische innovatie niet alleen baanbrekende vooruitgang op het gebied van berekeningen belooft, maar ook een bredere golf van kwantumtechnologie vertegenwoordigt, inclusief aanzienlijke vooruitgang op het gebied van kwantumcryptografie en kwantumdetectie.

De bron van de kracht van quantum computing

Centraal in quantum computing staat de quantumbit, oftewel qubit. In tegenstelling tot klassieke bits, die zich alleen in de toestand 0 of 1 kunnen bevinden, kan een qubit zich in elke toestand bevinden die een combinatie is van 0 en 1. Deze toestand van noch slechts 1, noch slechts 0 staat bekend als een kwantum superpositie. Met elke extra qubit verdubbelt het aantal toestanden dat door de qubits kan worden weergegeven.

Deze eigenschap wordt vaak verward met de bron van de kracht van quantum computing. In plaats daarvan komt het neer op een ingewikkeld samenspel van superpositie, storing en verstrikking.

Interferentie omvat het manipuleren van qubits zodat hun toestanden constructief combineren tijdens berekeningen om correcte oplossingen te versterken en destructief om de verkeerde antwoorden te onderdrukken. Constructieve interferentie is wat er gebeurt als de pieken van twee golven, zoals geluidsgolven of oceaangolven, samenkomen om een ​​hogere piek te creëren. Destructieve interferentie is wat er gebeurt wanneer een golfpiek en een golfdal samenkomen en elkaar opheffen. Kwantumalgoritmen, die schaars en moeilijk te bedenken zijn, zetten een reeks interferentiepatronen op die het juiste antwoord op een probleem opleveren.

Verstrengeling zorgt voor een unieke kwantumcorrelatie tussen qubits: de toestand van de ene kan niet onafhankelijk van de andere worden beschreven, hoe ver de qubits ook uit elkaar liggen. Dit is wat Albert Einstein beroemd heeft afgedaan als ‘spookachtige actie op afstand’. Het collectieve gedrag van verstrengeling, georkestreerd door een kwantumcomputer, maakt rekensnelheden mogelijk die buiten het bereik van klassieke computers liggen.

[Ingesloten inhoud]

Toepassingen van Quantum Computing

Quantum computing heeft een reeks potentiële toepassingen waarbij het beter kan presteren dan klassieke computers. In de cryptografie vormen kwantumcomputers zowel een kans als een uitdaging. Het meest bekend is dat ze de potentieel om de huidige encryptie-algoritmen te ontcijferen, zoals de veel gebruikte RSA-schema.

Eén gevolg hiervan is dat de huidige encryptieprotocollen opnieuw moeten worden ontworpen om bestand te zijn tegen toekomstige kwantumaanvallen. Deze erkenning heeft geleid tot het ontluikende veld van post-kwantumcryptografie. Na een lang proces heeft het National Institute of Standards and Technology onlangs vier kwantumbestendige algoritmen geselecteerd en is begonnen met het gereedmaken ervan, zodat organisaties over de hele wereld ze kunnen gebruiken in hun encryptietechnologie.

Bovendien kan kwantumcomputing de kwantumsimulatie dramatisch versnellen: het vermogen om de uitkomst van experimenten in het kwantumrijk te voorspellen. Beroemde natuurkundige Richard Feynman deze mogelijkheid voor ogen had ruim 40 jaar geleden. Kwantumsimulatie biedt het potentieel voor aanzienlijke vooruitgang in de scheikunde en materiaalkunde, en helpt op gebieden als de ingewikkelde modellering van moleculaire structuren voor de ontdekking van geneesmiddelen en maakt de ontdekking of creatie van materialen met nieuwe eigenschappen mogelijk.

Een ander gebruik van kwantuminformatietechnologie is kwantumdetectie: het detecteren en meten van fysieke eigenschappen zoals elektromagnetische energie, zwaartekracht, druk en temperatuur grotere gevoeligheid en precisie dan niet-kwantuminstrumenten. Kwantumdetectie heeft talloze toepassingen op gebieden zoals milieu Controle, geologische verkenning, medische beeldvorming en toezicht.

Initiatieven zoals de ontwikkeling van een kwantum internet die kwantumcomputers met elkaar verbinden, zijn cruciale stappen in de richting van het overbruggen van de kwantum- en klassieke computerwereld. Dit netwerk zou kunnen worden beveiligd met behulp van kwantumcryptografische protocollen zoals kwantumsleuteldistributie, waardoor ultraveilige communicatiekanalen mogelijk zijn die beschermd zijn tegen computeraanvallen, inclusief aanvallen die gebruik maken van kwantumcomputers.

Ondanks een groeiend toepassingspakket voor kwantumcomputing, met name de ontwikkeling van nieuwe algoritmen die volledig gebruik maken van het kwantumvoordeel op het gebied van machinaal leren– blijft een cruciaal gebied van lopend onderzoek.

een metalen apparaat met groen laserlicht op de achtergrond
Een prototype van een kwantumsensor ontwikkeld door MIT-onderzoekers kan elke frequentie van elektromagnetische golven detecteren. Beeldcredits: Guoqing Wang, CC BY-NC-ND

Coherent blijven en fouten overwinnen

De kwantumcomputer veld wordt geconfronteerd met aanzienlijke hindernissen bij de ontwikkeling van hardware en software. Kwantumcomputers zijn zeer gevoelig voor onbedoelde interacties met hun omgeving. Dit leidt tot het fenomeen decoherentie, waarbij qubits snel degraderen naar de 0- of 1-toestand van klassieke bits.

Het bouwen van grootschalige kwantumcomputersystemen die de belofte van kwantumversnellingen kunnen waarmaken, vereist het overwinnen van decoherentie. De sleutel is het ontwikkelen van effectieve methoden het onderdrukken en corrigeren van kwantumfouten, een gebied waarop mijn eigen onderzoek zich richt.

Bij het navigeren door deze uitdagingen zijn er talloze quantum hardware- en software-startups zijn ontstaan ​​naast gevestigde spelers in de technologie-industrie als Google en IBM. Deze interesse van de industrie, gecombineerd met aanzienlijke investeringen van overheden over de hele wereld, onderstreept een collectieve erkenning van het transformerende potentieel van kwantumtechnologie. Deze initiatieven bevorderen een rijk ecosysteem waarin de academische wereld en de industrie samenwerken, waardoor de vooruitgang op dit gebied wordt versneld.

Kwantumvoordeel komt in zicht

Kwantumcomputers kunnen op een dag net zo ontwrichtend zijn als de komst van generatieve AI. Momenteel bevindt de ontwikkeling van quantumcomputertechnologie zich op een cruciaal moment. Aan de ene kant heeft het veld al de eerste tekenen laten zien dat het een nauw gespecialiseerd kwantumvoordeel heeft bereikt. Onderzoekers bij Google en later een team van onderzoekers in China aangetoond kwantumvoordeel voor het genereren van een lijst met willekeurige getallen met bepaalde eigenschappen. Mijn onderzoeksteam heeft een kwantumversnelling aangetoond voor een gokspel met willekeurige getallen.

Aan de andere kant bestaat er een tastbaar risico dat er een ‘kwantumwinter’ intreedt, een periode van verminderde investeringen als praktische resultaten op korte termijn uitblijven.

Terwijl de technologie-industrie eraan werkt om op de korte termijn kwantumvoordeel te behalen in producten en diensten, blijft academisch onderzoek gericht op het onderzoeken van de fundamentele principes die ten grondslag liggen aan deze nieuwe wetenschap en technologie. Dit voortdurende fundamentele onderzoek, gevoed door enthousiaste kaders van nieuwe en slimme studenten van het type dat ik bijna dagelijks tegenkom, zorgt ervoor dat het vakgebied zich blijft ontwikkelen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

Beeldcredits: xx / xx

Tijdstempel:

Meer van Hub voor singulariteit