Er is veel hype rond kwantumcomputing – over hoe spannend het is en hoe we complexe problemen in verschillende industrieën op een revolutionaire manier oplossen. Beide beweringen zijn waar, aangezien kwantumcomputing een nieuwe manier vertegenwoordigt om informatie te verwerken.
Organisaties over de hele wereld besteden aanzienlijke middelen aan de ontwikkeling van kwantumcomputingtechnologieën vanwege hun vermogen om vele mogelijkheden te overwegen en mogelijke oplossingen voor complexe problemen aan te dragen.
Wat is kwantumcomputing?
Quantumcomputing is een informaticagebied gebaseerd op het principe van kwantumfysica (de studie van hoe atomaire deeltjes bestaan en met elkaar omgaan). Het verklaart het gedrag van materie en energie op atomair en subatomair niveau.
Kwantumcomputers gebruiken kwantumbits of qubits (uitgesproken als cue-bits), die tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen voorkomen. Deze eigenschap stelt kwantumcomputers in staat problemen op te lossen die conventionele computers een onpraktische hoeveelheid tijd of rekenkracht zouden kosten.
Hoe werkt kwantumcomputing?
Quantumcomputing gebruikt qubits om kwantumcomputers te ontwikkelen die bestaan uit kwantumsystemen zoals fotonen en elektronen. Ze worden vaak gebruikt om berekeningen uit te voeren die normaal gesproken onpraktisch zijn voor klassieke computers. Bovendien gebruikt kwantumcomputing kwantumlogica-poorten om qubits te manipuleren en berekeningen uit te voeren.
Kwantumpoorten zijn analoog aan de logische poorten die in klassieke computers worden gebruikt, maar werken op kwantumbits – onderzoekers gebruiken ze om superposities te creëren en te manipuleren en qubits te verstrengelen.
Het streeft ernaar de rekenmogelijkheden te verbeteren en de complexe problemen op te lossen die de klassieke computers van vandaag niet kunnen oplossen vanwege hun binaire benadering en beperkte bestaan in twee toestanden – 0 en 1, terwijl kwantumcomputing beide toestanden tegelijkertijd kan aannemen.
Verschil tussen Quantum Computing en Classic Computing
Kwantumcomputing en klassiek computergebruik verschillen in hun rekenmogelijkheden en hoe ze werken. Terwijl kwantumcomputers gebaseerd zijn op kwantumtheorie.
Klassiek computergebruik is gebaseerd op binaire cijfers of bits, die de waarde 0 of 1 kunnen aannemen. Kwantumcomputers gebruiken qubits als hun gegevenseenheid. Quantumcomputing kan beide waarden (0s en 1s) tegelijkertijd aannemen – deze handeling staat bekend als superpositie. Een eigenschap waarmee kwantumcomputers twee toestanden tegelijk kunnen aannemen.
Als het op vermogen aankomt, heeft klassiek computergebruik minder rekenkracht dan kwantumcomputing, omdat het vermogen toeneemt op basis van een 1: 1-relatie met de beschikbare transistors. Voor quantumcomputing neemt het vermogen aanzienlijk toe op basis van het aantal qubits.
In tegenstelling tot klassiek computergebruik, dat kan worden geïmplementeerd met codes die zijn geschreven in programmeertalen zoals Java, SQL, PHP, C#, C++ en Python, combineert kwantumcomputing code, wiskunde, natuurkunde en algoritmen om zijn specifieke doel te dienen.
Vanwege de complexe architectuur, kwetsbaarheid en hoge ontwikkeling- en implementatiekosten, is kwantumcomputing niet gemaakt als een machine voor algemene doeleinden voor openbaar gebruik, ze zijn ontworpen voor een specifiek doel en gebruikssituatie. Aan de andere kant zijn klassieke computers wijdverbreid en gemakkelijk toegankelijk.
Kwantumcomputers hebben hogere foutpercentages dan klassieke computers en vereisen extra zorg, zoals plaatsing in een ultrakoude ruimte om de warmte te reguleren. Klassieke computers daarentegen kunnen op kamertemperatuur werken.
Qua bruikbaarheid is kwantumcomputing geschikt voor complexe taken zoals simulatie, optimalisatie, machine learning en andere resource-intensieve bewerkingen. Klassiek computergebruik is geschikt voor taken als tekstverwerking, spreadsheetberekeningen en andere niet-resource-intensieve taken.
Voordelen van Quantum Computing
De voordelen van quantumcomputing zijn enorm, mits correct gebruikt. We hebben de belangrijkste verdiensten hieronder geanalyseerd.
- Snelheid: Ze kunnen gegevens duizend keer sneller verwerken dan conventionele computers.
- Beveiliging: het algoritme kan worden gebruikt om de digitale codering te verbeteren en de IT-infrastructuur van een organisatie te beschermen.
- Mogelijkheid om complexe problemen op te lossen: in 2019 beweerde Google dat zijn Sycamore – een 54-qubit-processor – een berekening had uitgevoerd die ’s werelds snelste supercomputer 10.000 jaar zou kosten om in 200 seconden te voltooien.
- Fraudedetectie verbeteren: financiële instellingen kunnen kwantumcomputing gebruiken om betere handelssimulatoren te creëren, efficiënte beleggingsportefeuilles te ontwerpen en fraudedetectie te verbeteren.
- Onderzoek: het helpt wetenschappers betere modellen en benaderingen te ontwikkelen voor het oplossen van problemen in verschillende industrieën, zoals geneesmiddelenonderzoek in de gezondheidszorg en chemische ontdekkingen in de productie.
Kenmerken van Quantum Computing
Hieronder volgen de belangrijkste kenmerken van kwantumcomputing.
Superpositie
Het vermogen van kwantumsystemen om gelijktijdig in verschillende toestanden te bestaan, staat bekend als superpositie. Klassieke computers kunnen slechts in één toestand tegelijk bestaan (0 of 1), wat betekent dat ze geen superpositiemogelijkheden hebben.
verstrengeling
Verstrengeling treedt op wanneer twee qubits aan elkaar zijn gekoppeld en de toestand van het ene deeltje het andere beïnvloedt, ook al zijn ze mijlenver van elkaar verwijderd. Het wordt vaak gebruikt om een kwantumnetwerk te creëren, waardoor kwantumcomputers informatie kunnen delen.
Interferentie In kwantumsystemen is interferentie een bijproduct van superpositie. Het is een golfverschijnsel dat optreedt wanneer subatomaire deeltjes interageren en beïnvloeden.
Het kan constructief zijn (wanneer de golven elkaar versterken of het juiste antwoord versterken) of destructief (wanneer ze elkaar opheffen).
decoherentie
Kwantumsystemen zijn kwetsbaar en gevoelig voor hun omgeving; interferenties van hun omgeving kunnen ervoor zorgen dat het kwantumgedrag van qubits vervalt, waardoor ze hun kwantummogelijkheden verliezen.
Ruis kan er bijvoorbeeld voor zorgen dat qubits uit superpositie vallen. Niet alleen dat, zelfs temperatuurveranderingen kunnen de prestaties beïnvloeden. Vandaar de noodzaak om het in een sterk gereguleerde en gecontroleerde omgeving te houden.
Beperkingen en uitdagingen van Quantum Computing
Hoewel kwantumcomputing veel voordelen biedt, heeft het ook enkele noemenswaardige nadelen.
- Decoherentie: in tegenstelling tot klassieke computers zijn kwantumcomputers gevoelig voor ruis. Verstoring kan ervoor zorgen dat het uit superpositie valt voordat het zijn taken kan voltooien.
- Vereist een specialist: vanwege de complexiteit vereist het een diverse pool van kwantumspecialisten.
- Kwantumfoutcorrectie: er zullen waarschijnlijk fouten optreden tijdens computerbewerkingen, wat leidt tot twijfelachtige resultaten. Een fouttolerant kwantumsysteem is vereist om interferentie uit de omgeving te weerstaan.
Real-Life toepassingen en gebruik van Quantum Computing
#1. Financiële modellering
De financiële markt is volatiel en zeer onvoorspelbaar. Met quantum computing kunnen financiële organisaties financiële systemen simuleren en de technologie gebruiken om investeringen te modelleren op basis van verwachte rendementen.
Het kan ook worden gebruikt in de aspecten van portfolio-optimalisatie, risicovermindering en beheer, plus optieprijzen. Degenen die grote hoeveelheden transacties uitvoeren, kunnen kwantumcomputing gebruiken om markten te voorspellen en de wereldwijde financiële economie te analyseren.
#2. Logistieke optimalisatie
Kwantumcomputers blinken uit als het gaat om het verzamelen van real-time gegevens om logistiek, inventaris en transport in de toeleveringsketen te optimaliseren. Organisaties moeten voortdurend optimale routes voor verkeersbeheer, vlootoperaties, luchtverkeersleiding, vracht en distributie berekenen en herberekenen – dit is mogelijk met klassieke computers.
Maar voor grote organisaties met complexe supply chain-behoeften kan dit proces resource-intensief worden, en quantum computing kan de situatie redden.
#3. Betere batterijen
Nu elektrische voertuigen (EV’s) gemeengoed worden in onze samenleving, gebruiken fabrikanten kwantumcomputers om het gedrag van moleculen en materialen te simuleren en lithiumverbindingen en batterijchemie te begrijpen om de levensduur van batterijen te optimaliseren.
Naast EV’s heeft quantum computing ook toepassingen in de opslag van hernieuwbare energie en mobiele apparaten.
#4. Productie
Quantum computing wordt gebruikt om veel aspecten van de productie te verbeteren. Een deskundig inzicht vrijgegeven door IBM Institute for Business Value verdeelde use cases voor kwantumcomputing in productie in vier categorieën.
Ontdekken
- Scheikunde
- Materiaal kunde
- Fysica van de gecondenseerde materie
Ontwerp
- Eindige verschilanalyse
- Structurele analyse Hydro/aerodynamica
Controle
- optimalisatie
- Machinaal leren
- Classificatie
Levering
- Bevoorradingsketen
- optimalisatie
- Risicomodellering
Degenen die kwantumcomputing toepassen op deze belangrijke gebieden, zullen een beslissende voorsprong krijgen, omdat het de productiekosten zal helpen verlagen en de productiesnelheid zal verhogen.
#5. Ontwikkeling van klimaatmodellen
Quantumcomputing kan helpen bij het oplossen van hardnekkige duurzaamheidsproblemen zoals klimaatverandering. Volgens het rapport van het Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) moet de uitstoot van broeikasgassen vóór 2025 aanzienlijk worden verminderd om grote klimaatrampen te voorkomen. Quantumcomputing kan worden gebruikt om de impact op het klimaat te verminderen.
De productie van ammoniak draagt tussen de 1 en 2% bij aan de wereldwijde uitstoot van koolstofdioxide. Quantumcomputing kan worden gebruikt om alternatieve schone energie te ontwikkelen, zoals betere batterijen voor elektrische voertuigen, zonne-energie en meer, om het proces van koolstofarm maken van de aarde te vergemakkelijken. Het kan ook modelverbeteringen in klimaat- en weersvoorspellingen en netbeheer mogelijk maken.
#6. Auto-industrie
De auto-industrie maakt in hoog tempo gebruik van kwantumcomputingtechnologie, wat blijkt uit partnerschappen tussen kwantumcomputingbedrijven en autofabrikanten, waaronder D-Wave Systems en Volkswagen; Zapata Computing en Bosch; en zelfs IBM Quantum en Mercedes-Benz.
Fabrikanten van originele apparatuur (OEM) willen kwantumcomputing gebruiken voor routeoptimalisatie en de duurzaamheid van materialen verbeteren.
#7. ontwikkeling van vliegtuigen
Lucht- en ruimtevaartbedrijven kunnen kwantumcomputing gebruiken voor veel processen, van optimalisatie van vluchtplannen tot vliegtuigmodellering en digitalisering. Airbus, een ruimtevaartbedrijf dat commerciële vliegtuigen ontwerpt, produceert en verkoopt, investeerde in IonQ, Q-CTRL en QC Ware om kwantumtechnologieën te gebruiken bij de ontwikkeling van complexe vliegtuigmodellen.
#8. Drug ontwikkeling
Klassieke computers worden momenteel gebruikt om honderden miljoenen moleculaire simulaties uit te voeren, maar er is een grens aan de molecuulgrootte die ze kunnen berekenen. Quantum computing maakt onderzoek en ontwikkeling mogelijk om grote en complexe moleculen te simuleren om computerondersteunde medicijnontdekking (CADD) te verbeteren.
McKinsey & Company meldde in 2021 dat farmaceutica ongeveer 15 procent van zijn omzet aan R&D besteedt, wat goed is voor meer dan 20 procent van de totale R&D-uitgaven in alle industrieën wereldwijd.
Deze investering helpt de farmaceutische industrie gedeeltelijk om efficiënte manieren te vinden om micromoleculen en macromoleculen te ontwikkelen om ziekten en aandoeningen te helpen genezen. Met quantum computing kunnen onderzoekers snel falen en de ontwikkeling van medicijnen met een grotere kans op succes versnellen.
#9. Machinaal leren
Het vermogen van kwantumcomputers om grote en complexe gegevens te verwerken, maakt ze een goede kandidaat voor machine learning. Quantum machine learning is een vakgebied dat kwantumalgoritmen integreert met machine learning-programma’s.
Kwantumalgoritmen kunnen een polynomiale of superpolynomiale (exponentiële) versnelling hebben, wat de rekensnelheid verbetert. Met quantum machine learning kunnen gegevensbeoefenaars snellere en geavanceerdere algoritmen ontwikkelen, complexe gegevenspatronen oplossen en de ontwikkeling van computervisietoepassingen en versterkend leren bevorderen.
Leermiddelen: Quantum Computing
Voor meer informatie raden we de volgende bronnen aan.
#1. Dansen met qubits
Dit boek, geschreven door Robert S. Sutor, legt uit hoe kwantumcomputing werkt en is van toepassing op wetenschappelijke informatica en AI. Dancing with Qubits behandelt de verschillen tussen klassieke en kwantumcomputing en beschrijft de use cases in verschillende industrieën.
Lezers leren ook concepten zoals superpositie, verstrengeling en interferentie, evenals circuits en algoritmen. Deze bron leert u over de basisprincipes en essenties van kwantumcomputing.
#2. Quantumcomputing: een toegepaste benadering
Geschreven door de CEO van SandboxAQ (Jack D. Hidary), een kwantumtechnologiebedrijf. Dit materiaal combineert de theorie en de praktijk van kwantumcomputing, inclusief praktische code.
Het boek bestaat uit drie delen: deel één behandelt de basisprincipes van kwantumcomputing en kwantumschakelingen, het tweede deel legt kwantumcomputingalgoritmen uit en biedt code voor huidige kwantumcomputingmethoden, en deel drie behandelt de wiskundige aspecten van kwantumcomputing.
#3. Quantumcomputing voor iedereen
Beginners die op zoek zijn naar allesomvattend materiaal, zullen deze bron nuttig vinden. Het behandelt de basisprincipes van kwantumcomputing en legt de belangrijkste componenten ervan uit, zoals qubits, verstrengeling en kwantumteleportatie.
De auteur van dit boek, Chris Bernhardt, vereenvoudigt de wiskunde achter kwantumcomputing en legt ook uit hoe kwantumcomputers worden gebouwd, waardoor het voor degenen die nieuw zijn met kwantumcomputers gemakkelijk wordt om het proces van het ontwikkelen van de systemen te begrijpen.
Conclusie
Bedrijven als Google, IBM en Microsoft lopen voorop in de innovatie van kwantumcomputingoplossingen – universiteiten blijven ook niet achter. Het tekort aan kwantumcomputingspecialisten draagt bij aan de trage voortgang ervan, en de kosten voor het bouwen van een kwantumcomputer zijn hoog, en niet veel organisaties hebben de middelen om er een te maken.
Hoewel kwantumcomputing veel belooft, is het er nog niet. Het zal een paar jaar duren om zijn volledige potentieel te realiseren en net als klassieke computers gemeengoed te worden.
U kunt ook lezen over Fog Computing.
