Quantum computing: weg zijn de wereldproblemen

Ze kunnen een einde maken aan honger in de wereld, maar perfect werkende exemplaren bestaan nog niet. Wat zijn quantum computers, hoe werken ze en waar kunnen we ze voor inzetten? Een interview met Rolf Huisman, IT-Architect bij Info Support.

De quantum computer kan heel, heel, heel snel rekenen. Om de quantum computer te begrijpen, moet je weten dat quantummechanica het gedrag van heel kleine, atomaire of subatomaire, deeltjes beschrijft. Die deeltjes kunnen zich in verschillende toestanden tegelijk bevinden.

De quantum computer maakt geen gebruik van gewone bits, maar van de quantumbit of de qubit. Dat zijn omgevormde elementaire deeltjes, die dus ook de eigenschappen van die deeltjes bezitten. Waar een bit maar twee toestanden heeft (0 of 1) heeft een qubit dus nog een derde mogelijkheid: hij kan zowel 0 als 1 tegelijkertijd zijn, net als een elektron. Die laatste positie noemen we een superpositie. Wat de qubit ook bijzonder maakt is dat deze gekoppeld kan worden aan een andere qubit. Die verstrengeling zorgt ervoor dat een quantum computer ontzettend snel kan rekenen. Drie qubits kunnen 23 = 8 posities tegelijkertijd innemen, 4 qubits 24 = 16 posities, en 32 qubits 232 = bijna vijf miljard posities. Een rekensom waar een gewone computer jaren over doet, kan een quantum computer van 72 qubits in een paar seconden doen, dankzij deze eigenschappen van qubits.

Net een souffle

Er zijn nog geen perfect werkende quantum computers. Sterker nog: aan het begin van deze eeuw was de quantum computer vooral nog een theorie, waarvan we niet wisten of die ooit werkelijkheid zou worden. Maar net als met alle technologische ontwikkelingen gaan ook op dit vlak de ontwikkelingen razendsnel.

IBM, Microsoft, D-Wave (van Google en NASA) en vele anderen bedrijven proberen allemaal de eerste te zijn die een perfect werkende, razendsnelle quantum computer in de markt zet. De grootste horde is momenteel nog dat de qubit nogal gevoelig is voor ruis, voor contact met de buitenwereld. Dat contact met de buitenwereld noemen we een observatie. Bij een observatie gaat de superpositie van een deeltje onmiddellijk verloren, dan verandert het deeltje dus in een 1 of een 0. Een veelgehoorde vergelijking is die met de soufflé: als je de oven opendoet om te kijken of ‘ie al goed is, kan hij zo instorten. Onderzoekers experimenteren erop los om die ruis weg te nemen en daardoor die superpositie en dus die rekenkracht zo lang mogelijk te kunnen behouden. Zo worden de chips zo koud mogelijk gehouden, gemiddeld zo’n 12 microkelvin. Dat is 0.012 graden boven het absolute nulpunt (?273.15 graden Celsius).

Monden voeden

Als we de quantum computer straks echt kunnen gebruiken, kan deze vele problemen oplossen. Zo kunnen quantum computers helpen bij het oplossen van honger in de wereld. Dat zit zo. Kunstmest is essentieel voor het kunnen voeden van miljarden monden. Een belangrijk bestanddeel van kunstmest is ammonia, maar de productie van ammonia kost ontzettend veel energie – naar schatting zelfs ongeveer 1 procent van de totale energieproductie. Nu hebben wetenschappers ontdekt dat er in bepaalde bacteriën enzymen zitten die veel efficiënter ammonia produceren. Als we achterhalen hoe dat enzym precies werkt, kunnen we dat nabootsen en enorm veel energie besparen. Zelfs de zwaarste supercomputers in China kunnen nu maar 8 atomen van dat enzym simuleren, terwijl het enzym uit 450 atomen bestaat. En dus is de quantum computer nodig: die kan wel een computersimulatie van het enzym maken en die omzetten in mathematische formules. Als we dat enzym kunnen nabootsen, wordt de productie van kunstmest vele malen goed goedkoper én duurzamer. En dit is maar een voorbeeld: quantum computers kunnen helpen bij tál van optimalisatieproblemen. Zo kloppen nu regelmatig financiële instellingen bij ons aan met de vraag of we hen kunnen helpen met risicoberekeningen; die kunnen met quantum computers immers veel sneller en nauwkeuriger worden gemaakt.

Ondanks dat er nog geen optimaal werkende quantum computer bestaat, weten we nu al zeker dat de mogelijkheden ervan in de toekomst legio zullen zijn. En de gevolgen op wereldniveau misschien wel ongekend groot!