Tweet

De kwantumcomputer kan veel - op een enkel terrein /2 reacties

Kwantumcomputers worden vaak aangekondigd als dé volgende generatie computers die klussen in een oogwenk oplossen waar de huidige klassieke computer zijn tanden op stuk bijt. Kwantumcomputers zijn goed in factoriseren, het ontleden in priemgetallen. Dat is vervelend voor banken en andere instellingen die prijs stellen op geheimhouding. De huidige beveiligingssystemen ontlenen juist hun kracht aan de moeite die de huidige computers met factoriseren hebben.

Maar de klimaatmodellen zullen er niet beter van worden, verwacht Ronald de Wolf van het Centrum voor Wiskunde en Informatica in Amsterdam. Ondertussen werken ze in Delft hard aan de bouwstenen van zo’n ‘wondermachine’. En dat is geen sinecure: een logische poort van twee zogeheten qubits is al wereldnieuws. Een Canadees bedrijf zegt echter al de eerste 16 qubits-kwantumcomputer gebouwd te hebben.

Niemand

De grote natuurkundige en grondlegger van de kwantummechanica Niels Bohr schijnt ooit gezegd te hebben dat als iemand niet door de kwantummechanica in de war gebracht wordt, hij die niet echt begrepen heeft. Richard Feynman, die je de grondlegger van de kwantumcomputer zou kunnen noemen, is stelliger: “Ik denk dat ik met zekerheid kan zeggen dat niemand de kwantumtheorie begrijpt.”
Kwantummechanica en, in het verlengde daarvan, kwantumcomputers liggen zover buiten onze ervaringswereld dat we ons er geen voorstelling van kunnen maken. Toch kun je met op de kwantummechanica gebaseerde ideeën praktische dingen doen, zoals het bouwen van kwantumcomputers. Dat is niet heel erg simpel maar volgens Ronald de Wolf is de wiskunde achter de kwantumcomputer allesbehalve vaag of mysterieus.

Qubit

De goede oude binaire computer werkt met bits, met enen en nullen. Het grondelement van de kwantumcomputer is de kwantumbit (vaak afgekort tot qubit; van het Engelse quantum bit). Is zo’n bit op een ouderwetse computer nog een (minuscuul) transistortje, dat bestaat uit, grof geschat, enkele miljoenen atomen, een qubit is een element dat zich op de schaal van een atoom of nog veel kleiner manifesteert. We hebben het dan over vreemde dingen uit de kwantummechanica als de kern- of elektronenspin (zeg maar de draaiing van een atoomkern of een elektron) of de polarisatie van een lichtdeeltje (foton). In dat rijk van de kwantummechanica heersen vreemde, voor gewone en kennelijk ook geleerde stervelingen onbegrijpelijke wetten.

Superpositie

Kwantummechanica en, in het verlengde daarvan, kwantumcomputers liggen zover buiten onze ervaringswereld dat we ons er geen voorstelling van kunnen maken.

Het wordt even doorbijten, maar om enig idee te krijgen waarom kwantumcomputers als beloftevol worden gezien, is hier enige uitleg op zijn plaats. Een belangrijk element in de kwantumcomputer is wat superpositie wordt genoemd. De toestand van een kwantumsysteem is wat dan heet een superpositie van de basistoestanden die elk hun eigen amplitude hebben.
Laten we een elektronenspin nemen (maar het verhaal gaat ook op voor de andere qubit-vormen). Zoals steeds maar weer tot vervelens toe wordt verteld, is de aloude bit maar in staat twee posities in te nemen: de 0 of de 1. In de kwantummechanica, en dat moet je niet proberen te begrijpen, kan een deeltje tegelijk in twee toestanden verkeren. De qubit kan zowel 1 als 0 zijn. Twee qubits hebben dan al vier mogelijkheden die tegelijk kunnen voorkomen (: 00, 01, 10 en 11), drie qubits acht enz. Met 16 qubits heb je 2^16= 65 536 kwantumtoestanden in superpositie. En elke toestand draagt bij aan het ‘rekenvermogen’ van de kwantumcomputer. “Dat betekent”, zegt Ronald de Wolf, ”dat alle inputs bij elkaar in één berekening tegelijk alle uitkomsten geven, terwijl in de klassieke computer elke berekening afzonderlijk gemaakt moet worden.”

Interferentie

Bij dat rekenen van een kwantumcomputer speelt de interferentie een belangrijke rol. We hadden het net over de amplitudes van de basistoestanden van de elektronenspin. Die amplitude kan zowel positief als negatief zijn (eigenlijk zijn het complexe getallen, maar laten we het niet nog moeilijker maken dan het al is). De gekwadrateerde amplitude van zo’n basistoestand geeft dan weer de kans dat je die toestand ook daadwerkelijk meet. Je moet je dan voorstellen dat door interferentie de toestanden met een negatieve amplitude tijdens de berekening uitdoven, terwijl de positieve versterkt worden. Iets soortgelijks als gebeurt bij het versterken of uitdoven van (licht)golven.