Wat u moet weten over quantum computing

Vergeet de klassieke bits en bytes, met quantum computing draait alles om quantum bits, oftewel qubits. Hiermee kunnen computers simulaties en berekeningen veel sneller afhaspelen. Dat stelt ingenieurs in staat om sneller complexe systemen te analyseren en hun design te optimaliseren. Of het kan dienen om de eigenschappen van materialen op het niveau van atomen te simuleren om tot nieuwe materialen met verbeterde eigenschappen te komen. Aan interessante mogelijkheden geen gebrek, maar hoever staan we daarvan nog af vandaag?

Om de kracht van moleculen tijdens fotosynthese te gebruiken, kan dat niet zomaar met de computers die we vandaag allemaal kennen. Er zijn quantumcomputers nodig die de quantumsystemen op moleculair niveau kunnen meten en observeren, en de waarschijnlijkheid van gebeurtenissen voorspellen. Kort gezegd, waaraan uw pc nu miljarden jaren rekenwerk zou hebben, doen deze computers op een weekend. Daarmee moeten ze in staat zijn om enkele van ‘s werelds meest complexe problemen op te lossen. Het is alsof we met computers de sprong van de kaars naar de gloeilamp zullen zetten. 

De basis zijn de qubits. Vergelijk ze gerust met de klassieke bits die u kent, maar ze kunnen nog een extra kunstje. Met behulp van superpositie kunnen ze in meerdere fasen tegelijk zijn. Waar binaire bits beperkt blijven tot 0 of 1, kunnen qubits elk deel van 0 of 1 zijn, in superpositie van beide fases. Daardoor zijn ze in staat om met behulp van algoritmes grote aantallen computerberekeningen naast elkaar te maken. Ze kunnen gemaakt worden uit ionen, fotonen, artificiële of reële atomen of zelfs quasi-partikels. 

Quantum computing is niks nieuws onder de zon. Er wordt al sinds de jaren 80 gewag van gemaakt. Maar om de quantumcomputers te bouwen moet vooral de interferentie die tussen qubits kan ontstaan onder controle worden gehouden om betrouwbare resultaten te verzekeren. Een tweede aandachtspunt heeft te maken met die superpositie en hoe qubits in die quantumfase te houden. Dat vraagt om isolatie en koeling (kouder dan -250 °C).

Allemaal goed en wel, maar wat kun je nu eigenlijk met zulke quantumcomputers? 

Als we de wetenschappelijke wereld mogen geloven, zal the sky the limit zijn. En er wordt vooral gekeken naar de industriedomeinen, waar factoren zoals kost, kwaliteit en productietijd zwaar doorwegen. Met quantum computing zal men nieuwe manieren kunnen bedenken om het luchtverkeer te regelen, pakketjes te bezorgen, energie op te slaan en zoveel meer. 

Daarnaast zouden quantumcomputers de toepassing van artificiële intelligentie in een stroomversnelling kunnen brengen. Al zijn de experten daar nog niet helemaal aan uit. Belangrijk om rekening mee te houden is dat de algoritmes die we vandaag kennen en gebruiken niet zomaar overgezet kunnen worden. De regels in quantumtechnologie verschillen dusdanig, op het meest elementaire niveau. Maar het geloof in de toepassingen is er, ook op vlak van klimaatverandering. Zo is al voorgesteld dat met de quantumsimulatie van grote moleculen een katalysator gebouwd zou kunnen worden om CO2 rechtstreeks uit de atmosfeer te verwijderen.

Toekomstmuziek? Jazeker, maar er bestaan vandaag al quantumcomputers en ze worden ook gebruikt. Maar dergelijke toepassingen op grote schaal zullen pas voor later zijn. Nu ligt de focus eerder op kleine moleculen, bijvoorbeeld het moleculair modelleren van lithium waterstof. Dat kan gesimuleerd worden met een supercomputer, maar quantumsimulatietechnieken bieden een uitstekende opportuniteit om de antwoorden die uit het klassieke simulatiewerk naar boven komen te dubbelchecken. Zo wordt stap voor stap verder gebouwd, naar experimenten met grotere partikels. Wilt u er zelf al mee kennismaken? Er zijn cloudplatformen die u al van de quantumervaring laten proeven. De speeltijd is begonnen. ■