Een van de belangrijkste wetenschappelijke uitdagingen van onze tijd is de race om de eerste bruikbare kwantumcomputer te creëren. Duizenden natuurkundigen en ingenieurs nemen eraan deel. IBM, Google, Alibaba, Microsoft en Intel ontwikkelen hun concepten. Hoe zal een krachtig computerapparaat onze wereld veranderen, en waarom is het zo belangrijk?
Stel je eens voor: er is een volwaardige kwantumcomputer gemaakt. Het is een vertrouwd en natuurlijk onderdeel van ons leven geworden. Klassieke berekeningen worden nu alleen nog maar op school besproken, in de geschiedenislessen. Ergens diep in koude kelders werken krachtige machines op qubits om kunstmatig intelligente robots aan te drijven. Ze voeren alle gevaarlijke en eenvoudigweg eentonige taken uit. Als je door het park loopt, kijk je om je heen en zie je allerlei robots. Mensachtige wezens laten honden uit, verkopen ijs, repareren elektrische bedrading en vegen het gebied. Sommige modellen vervangen huisdieren.
We kregen de kans om alle geheimen van het universum te onthullen en in onszelf te kijken. De geneeskunde heeft een nieuw niveau bereikt: er worden elke week innovatieve medicijnen ontwikkeld. We kunnen voorspellen en bepalen waar schaarse hulpbronnen zoals gas en olie zich bevinden. Het probleem van de opwarming van de aarde is opgelost, energiebesparende methoden zijn geoptimaliseerd en er zijn geen files meer in steden. De kwantumcomputer bestuurt niet alleen alle robotauto’s, maar zorgt ook voor het vrije verkeer: hij monitort de situatie op de wegen, past routes aan en neemt indien nodig de besturing over van bestuurders. Dit is hoe het kwantumtijdperk eruit zou kunnen zien.
Quantum goudkoorts
De toepassingsvooruitzichten zijn geweldig en daarom groeien de investeringen in quantumontwikkelingen elk jaar. De wereldwijde kwantumcomputermarkt werd in 81,6 gewaardeerd op 2018 miljoen dollar. Experts van Market.us schatten dat dit in 2026 381,6 miljoen dollar zal bedragen. Dat wil zeggen dat het tussen 21,26 en 2019 met gemiddeld 2026% per jaar zal stijgen.
Deze groei wordt gevoed door het groeiende gebruik van kwantumcryptografie in beveiligingstoepassingen en gedreven door investeringen van belanghebbenden op de kwantumcomputermarkt. Volgens een analyse van het wetenschappelijke tijdschrift Nature hadden particuliere investeerders begin dit jaar wereldwijd minstens 52 kwantumtechnologiebedrijven gefinancierd. Grote spelers als IBM, Google, Alibaba, Microsoft, Intel en D-Wave Systems worstelen met het creëren van een praktisch toepasbare kwantumcomputer.
Ja, zolang het geld dat elk jaar naar dit gebied stroomt een kleine uitgave vertegenwoordigt (vergeleken met 2018 miljard dollar aan AI-investeringen in 9,3). Maar deze cijfers zijn significant voor een onvolwassen sector die nog niet over prestatie-indicatoren beschikt.
Kwantumproblemen oplossen
Je moet begrijpen dat de technologie vandaag de dag nog in de kinderschoenen staat. Het was mogelijk om alleen prototypes van kwantummachines en afzonderlijke experimentele systemen te maken. Ze zijn in staat vaste algoritmen met een lage complexiteit uit te voeren. De eerste 2-qubit-computer werd in 1998 gemaakt en het kostte de mensheid 21 jaar om de apparaten op het juiste niveau te brengen, de zogenaamde ‘kwantum-suprematie’. Deze term werd bedacht door Caltech-professor John Preskill. En het betekent het vermogen van kwantumapparaten om problemen sneller op te lossen dan de krachtigste klassieke computers.
Een doorbraak op dit gebied werd gerealiseerd door het Californische bedrijf Google. In september 2019 kondigde het bedrijf aan dat zijn 53-qubit Sycamore-apparaat in 200 seconden een berekening voltooide die een ultramoderne supercomputer 10 jaar zou kosten. De verklaring veroorzaakte veel controverse. IBM was het categorisch oneens met dergelijke berekeningen. In zijn blog schreef het bedrijf dat zijn Summit-supercomputer deze taak in 000 dagen zal kunnen uitvoeren. En het enige dat nodig is, is het vergroten van de schijfopslagcapaciteit. Hoewel het verschil in werkelijkheid niet zo kolossaal was, was Google inderdaad de eerste die ‘kwantumsuprematie’ bereikte. En dit is een belangrijke mijlpaal in computeronderzoek. Maar niets meer. De prestatie van Sycamore is puur voor demonstratiedoeleinden. Het heeft geen praktische toepassing en is nutteloos voor het oplossen van echte problemen.
Het grootste probleem is de hardware. Terwijl traditionele computationele bits een waarde van 0 of 1 hebben, kunnen qubits zich in de vreemde kwantumwereld tegelijkertijd in beide toestanden bevinden. Deze eigenschap wordt superpositie genoemd. Qubits zijn als tollen: ze draaien zowel met de klok mee als tegen de klok in, bewegen op en neer. Als u dit verwarrend vindt, bevindt u zich in goed gezelschap. Richard Feynman zei ooit: ‘Als je denkt dat je de kwantummechanica begrijpt, begrijp je het niet.’ Dappere woorden van de man die de Nobelprijs won voor... kwantummechanica.
Qubits zijn dus extreem instabiel en onderhevig aan invloeden van buitenaf. Een auto die onder de ramen van het laboratorium doorrijdt, het interne geluid van het koelsysteem, een vliegend kosmisch deeltje - elke willekeurige interferentie, elke interactie verstoort hun synchroniciteit en ze decohereren. Dit is schadelijk voor het computergebruik.
De belangrijkste vraag voor de ontwikkeling van quantum computing is welke hardwareoplossing uit de vele onderzochte oplossingen de stabiliteit van qubits zal garanderen. Degene die het coherentieprobleem oplost en kwantumcomputers net zo gewoon maakt als GPU’s, zal de Nobelprijs winnen en de rijkste persoon ter wereld worden.
Weg naar commercialisering
In 2011 heeft het Canadese bedrijf D-Wave Systems Inc. was de eerste die kwantumcomputers verkocht, hoewel hun bruikbaarheid beperkt is tot bepaalde wiskundige problemen. En de komende maanden zullen miljoenen ontwikkelaars kwantumprocessors via de cloud kunnen gaan gebruiken - IBM belooft toegang te verlenen tot zijn 53-qubit-apparaat. Tot nu toe hebben twintig bedrijven dit voorrecht ontvangen in het kader van een programma genaamd Q Network. Onder hen zijn apparatuurfabrikant Samsung Electronics, autofabrikanten Honda Motor en Daimler, chemische bedrijven JSR en Nagase, banken JPMorgan Chase & Co. en Barclays.
De meeste bedrijven die vandaag de dag met quantum computing experimenteren, zien het als een integraal onderdeel van de toekomst. Hun belangrijkste missie is nu om erachter te komen wat werkt in quantum computing en wat niet. En wees bereid om de eerste te zijn die technologie in het bedrijfsleven introduceert wanneer deze er klaar voor is.
Transport organisaties. Volkswagen ontwikkelt samen met D-Wave een quantumtoepassing: een verkeersregelsysteem. Het nieuwe programma zal OV-organisaties en taxibedrijven in grote steden in staat stellen hun wagenpark efficiënter in te zetten en de wachttijden voor passagiers te minimaliseren.
Energiesector. ExxonMobil en IBM promoten het gebruik van quantum computing in de energiesector. Ze zijn gericht op de ontwikkeling van een reeks nieuwe energietechnologieën, het verbeteren van de energie-efficiëntie en het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen. De omvang en complexiteit van de uitdagingen waarmee de energiesector wordt geconfronteerd, vallen buiten het bereik van de huidige traditionele computers en zijn zeer geschikt om te testen op kwantumcomputers.
Farmaceutische bedrijven. Accenture Labs werkt samen met 1QBit, een quantumsoftwarebedrijf. In slechts twee maanden tijd gingen ze van onderzoek naar proof-of-concept, waarbij ze een applicatie gebruikten om complexe moleculaire interacties op atomair niveau te modelleren. Dankzij de kracht van quantum computing is het nu mogelijk om grotere moleculen te analyseren. Wat zal dit de samenleving opleveren? Innovatieve medicijnen met de minste bijwerkingen.
Financiële sector. Technologieën gebaseerd op de principes van de kwantumtheorie trekken steeds meer de belangstelling van banken. Ze zijn geïnteresseerd in het zo snel mogelijk verwerken van transacties, transacties en andere soorten gegevens. Barclays en JP Morgan Chase (met IBM), evenals NatWest (met Fujitsu) voeren al experimenten uit met de ontwikkeling van gespecialiseerde software.
De acceptatie door zulke grote bedrijven en de opkomst van ondernemende kwantumpioniers spreekt boekdelen over de commerciële levensvatbaarheid van kwantum. We zien nu al dat quantum computing wordt toegepast op echte problemen, van het verbeteren van de energie-efficiëntie tot het optimaliseren van voertuigroutes. En belangrijker nog: de waarde van de technologie zal toenemen naarmate deze zich ontwikkelt.
Bron: www.habr.com