Afbeelding tegoed:sakkmesterke/iStock/GettyImages

Fundamenten van de kwantummechanica

Kwantumcomputers zijn gebaseerd op de principes van de kwantummechanica, de tak van de natuurkunde die het gedrag van deeltjes op atomair en subatomair niveau verklaart. Sleutelconcepten zijn onder meer energiekwantisering, dualiteit van golven en deeltjes, het onzekerheidsprincipe van Heisenberg en het correspondentieprincipe, dat ervoor zorgt dat nieuwe theorieën consistent blijven met de klassieke natuurkunde.

Hoe kwantumcomputers werken

In tegenstelling tot klassieke bits die 0 of 1 vertegenwoordigen, kunnen kwantumbits (qubits) tegelijkertijd in een superpositie van beide toestanden bestaan. Hierdoor kan een kwantumprocessor met veel qubits een groot aantal mogelijke oplossingen parallel verkennen. Kwantumverstrengeling – wat Einstein omschreef als ‘spookachtige actie op afstand’ – zorgt ervoor dat qubits elkaar onmiddellijk kunnen beïnvloeden, zelfs als ze fysiek gescheiden zijn, waardoor er geen draden meer nodig zijn tussen verre qubits.

Toepassingen en risico's

Vanwege hun buitengewone snelheid kunnen kwantumcomputers moderne encryptiesystemen kraken en de cyberveiligheid in gevaar brengen. Wanneer ze echter op verantwoorde wijze worden ingezet, beloven ze doorbraken op het gebied van kunstmatige intelligentie, materiaalkunde, energietechnologie en logistiek. Kwantumsimulaties kunnen bijvoorbeeld efficiëntere zonnecellen ontwerpen, batterijen van elektrische voertuigen optimaliseren en de verkeersstroom stroomlijnen.

Belangrijke mijlpalen in de ontwikkeling van Qubit

• 1998 – Oxford University (VK) demonstreerde een 2-qubit-processor.
• 1998 – IBM, UC Berkeley, Stanford en MIT bouwden een 2-qubit-processor.
• 2000 – De Technische Universiteit van München (Duitsland) produceerde een 5-qubit-processor.
• 2000 – Los Alamos National Laboratory (VS) onthulde een 7-qubit-processor.
• 2006 – Institute for Quantum Computing, Perimeter Institute en MIT creëerden een 12-qubit-processor.
• 2017 – IBM heeft een 17‑qubit-processor uitgebracht.
• 2017 – IBM kondigt een processor van 50 qubit aan.
• 2018 – Google onthulde een 72‑qubit-processor.

Kwantumgegevens opslaan:de DNA-verbinding

De huidige kwantumsystemen kunnen qubit-informatie nog niet dupliceren of permanent opslaan. Onderzoekers onderzoeken alternatieve opslagmedia, waaronder DNA. In 2017 heeft een team aangetoond dat één gram DNA ongeveer 215 miljoen gigabytes aan gegevens kan coderen, wat de capaciteit van conventionele tweedimensionale opslag ruimschoots overtreft en een compact, duurzaam medium biedt.

De weg vooruit

Marktleiders racen om de volgende generatie processors te bouwen. IBM biedt cloudgebaseerde kwantumtoegang, waardoor onderzoekers over de hele wereld kunnen experimenteren. Microsoft integreert kwantummogelijkheden in Visual Studio, met een focus op Majorana-fermionen, terwijl Google ernaar streeft “kwantumsuprematie” te bereiken door de hedendaagse supercomputers te overtreffen. Ondanks de snelle vooruitgang zullen praktische kwantummachines voor het eerst verschijnen in onderzoekslaboratoria en denktanks; wijdverspreide commerciële beschikbaarheid zal waarschijnlijk nog enkele jaren duren.