Begin juli, Google heeft aangekondigd dat het zijn commercieel beschikbare cloud computing-services zal uitbreiden met quantum computing. Een vergelijkbare dienst is sinds mei beschikbaar bij IBM. Dit zijn geen services die de meeste gewone mensen nog veel redenen zullen hebben om te gebruiken. Maar het toegankelijker maken van kwantumcomputers zal de overheid helpen, academische en zakelijke onderzoeksgroepen over de hele wereld zetten hun onderzoek naar de mogelijkheden van quantum computing voort.

Om te begrijpen hoe deze systemen werken, moet een ander natuurkundig gebied worden onderzocht dan de meeste mensen kennen. Uit de dagelijkse ervaring zijn we bekend met wat natuurkundigen "klassieke mechanica, " die het grootste deel van de wereld regeert die we met onze eigen ogen kunnen zien, zoals wat er gebeurt als een auto een gebouw raakt, welk pad een bal aflegt als hij wordt gegooid en waarom het moeilijk is om een ​​koelbox over een zandstrand te slepen.

Kwantummechanica, echter, beschrijft het subatomaire rijk - het gedrag van protonen, elektronen en fotonen. De wetten van de kwantummechanica zijn heel anders dan die van de klassieke mechanica en kunnen tot onverwachte en contra-intuïtieve resultaten leiden, zoals het idee dat een object een negatieve massa kan hebben.

Natuurkundigen over de hele wereld – bij de overheid, academische en zakelijke onderzoeksgroepen - blijven de toepassing van technologieën in de echte wereld onderzoeken op basis van kwantummechanica. En computerwetenschappers, mij inbegrepen, willen begrijpen hoe deze technologieën kunnen worden gebruikt om computergebruik en cryptografie vooruit te helpen.

Een korte inleiding tot de kwantumfysica

In ons gewone leven, we zijn gewend aan dingen die in een goed gedefinieerde staat bestaan:een gloeilamp is aan of uit, bijvoorbeeld. Maar in de kwantumwereld objecten kunnen bestaan ​​in een zogenaamde superpositie van toestanden:een hypothetische gloeilamp op atomair niveau kan tegelijkertijd zowel aan als uit zijn. Deze vreemde functie heeft belangrijke gevolgen voor de computer.

De kleinste eenheid van informatie in de klassieke mechanica - en, daarom, klassieke computers – is het bit, die een waarde van 0 of 1 kan bevatten maar nooit allebei tegelijk. Als resultaat, elk bit kan slechts één stukje informatie bevatten. zulke stukjes, die kunnen worden weergegeven als elektrische impulsen, veranderingen in magnetische velden, of zelfs een fysieke aan-uitschakelaar, vormen de basis voor alle berekeningen, opslag en communicatie in de hedendaagse computers en informatienetwerken.

Qubits – kwantumbits – zijn het kwantumequivalent van klassieke bits. Een fundamenteel verschil is dat, door superpositie, qubits kunnen tegelijkertijd waarden van zowel 0 als 1 bevatten. Fysieke realisaties van qubits moeten inherent op atomaire schaal zijn:bijvoorbeeld in de spin van een elektron of de polarisatie van een foton.

Rekenen met qubits

Een ander verschil is dat klassieke bits onafhankelijk van elkaar kunnen worden bediend:een bit op de ene locatie omdraaien heeft geen effect op bits op andere locaties. Qubits, echter, kunnen worden opgezet met behulp van een kwantummechanische eigenschap die verstrengeling wordt genoemd, zodat ze van elkaar afhankelijk zijn - zelfs als ze ver van elkaar verwijderd zijn. Dit betekent dat bewerkingen die door een kwantumcomputer op één qubit worden uitgevoerd, meerdere andere qubits tegelijk kunnen beïnvloeden. Deze eigenschap - verwant aan, maar niet hetzelfde als parallelle verwerking - kan kwantumberekening veel sneller maken dan in klassieke systemen.

Grootschalige kwantumcomputers - dat wil zeggen, kwantumcomputers met honderden qubits – bestaan ​​nog niet, en zijn uitdagend om te bouwen omdat ze bewerkingen en metingen op atomaire schaal vereisen. IBM's kwantumcomputer, bijvoorbeeld, heeft momenteel 16 qubits, en Google belooft tegen het einde van het jaar een kwantumcomputer van 49 qubit - wat een verbazingwekkende vooruitgang zou zijn. (In tegenstelling tot, laptops hebben momenteel meerdere gigabyte RAM, waarbij een gigabyte acht miljard klassieke bits is.)

Een krachtig hulpmiddel

Ondanks de moeilijkheid om werkende kwantumcomputers te bouwen, theoretici blijven hun potentieel verkennen. 1994, Peter Shor toonde aan dat kwantumcomputers snel de gecompliceerde wiskundige problemen konden oplossen die ten grondslag liggen aan alle veelgebruikte cryptografiesystemen met openbare sleutels. zoals degenen die veilige verbindingen voor webbrowsers bieden. Een grootschalige kwantumcomputer zou de veiligheid van het internet zoals wij dat kennen volledig in gevaar brengen. Cryptografen onderzoeken actief nieuwe benaderingen met openbare sleutels die "kwantumresistent, ' tenminste voor zover ze nu weten.

interessant, de wetten van de kwantummechanica kunnen ook worden gebruikt om cryptosystemen te ontwerpen die, in zekere zin, veiliger dan hun klassieke analogen. Bijvoorbeeld, Met de distributie van kwantumsleutels kunnen twee partijen een geheim delen dat geen enkele afluisteraar kan achterhalen met behulp van klassieke of kwantumcomputers. Die systemen - en andere gebaseerd op kwantumcomputers - kunnen in de toekomst nuttig worden, hetzij op grote schaal of in meer nichetoepassingen. Maar een belangrijke uitdaging is om ze aan het werk te krijgen in de echte wereld, en over grote afstanden.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.