Wat is quantumcomputing?

Quantumcomputing is een opkomende technologie die de unieke eigenschappen van de quantumwereld – die bestaat op de schaal van atomen en subatomaire deeltjes – wil gebruiken om complexe problemen op te lossen. In theorie kunnen grote quantumcomputers bepaalde typen problemen, zoals cryptografische encryptie ontsleutelen of complexe optimalisatieproblemen oplossen, veel sneller uitwerken dan klassieke computers dat kunnen. De huidige technologie is echter nog verre van volwassen.

Quantumcomputers gebruiken de quantumeigenschappen van elementaire deeltjes, zoals atomen, elektronen of fotonen, met qubits. Deze hebben de bijzonderheid dat ze in toestanden kunnen verkeren waar 0 en 1 in superpositie zijn. In combinaties maken ze het mogelijk om een groot aantal waarden te superponeren.

Quantumcomputers gebruiken niet het binaire systeem van nullen en enen (bits) van klassieke computers. Ze gebruiken qubits, waarvan de waarde op een gegeven moment door een complex getal kan worden vertegenwoordigd dat amplitude wordt genoemd: de waarschijnlijkheid om een 0 of een 1 te worden als de waarde van de qubit uitgelezen wordt. Volgens het huidige denken zouden quantumcomputers – vooral grote, met vele duizenden of miljoenen qubits of meer – door die complexiteit beter kunnen zijn bij het oplossen van moeilijke problemen.

Een qubit kan elk kwantummechanisch systeem zijn dat twee verschillende en controleerbare kwantumtoestanden heeft, zoals de polarisatie van een lichtfoton, het energieniveau van een atoom of de spin van een elektron. Omdat qubits in meer toestanden kunnen bestaan dan standaard bits, kan een quantumcomputer per qubit veel meer informatie verwerken dan een klassieke computer per bit. Bijvoorbeeld, terwijl 1024 bits 128 bytes RAM opleveren, kan dezelfde hoeveelheid gegevens worden opgeslagen met slechts 10 qubits. Een 1000-qubit kwantumcomputer kan 21000 verschillende getallen aan.

Dus wat zouden quantumcomputers mogelijk kunnen doen? Quantumcomputers zijn geen vervanging van klassieke computers of supercomputers. Ze presteren mogelijk beter in bepaalde soorten computertaken, maar ze zullen er heel anders uitzien en werken dan de apparaten die we vandaag gebruiken. Voor veel problemen zullen conventionele computers bovendien de beste optie blijven. Quantumcomputers kunnen echter voordelen bieden voor bepaalde soorten rekenproblemen, zoals:

Het gebied van quantumcomputing leek in 2019 een grote stap voorwaarts te zetten, toen een uitgelekt onderzoeksartikel suggereerde dat de quantumcomputer Sycamore van Google quantumsuprematie had bereikt. Dat is een term die gebruikt wordt als quantumcomputers snel een probleem kunnen oplossen dat geen enkele klassieke computer binnen een haalbare termijn zou kunnen oplossen.

In november 2021 was de aankondiging van een processor met 127 qubits de eerste keer dat een apparaat de mijlpaal van meer dan 100 qubits overschreed.

De grootste obstakels zijn ruis en decoherentie. Als een quantumdeeltje niet geïsoleerd is van de omgeving, kan elke ongewenste interactie – zelfs het verrichten van een meting – ertoe leiden dat het deeltje instort tot een klassiek bit met een simpele waarde van 0 of 1. Ruis en decoherentie hebben gevolgen: qubits hebben een zeer korte levensduur, momenteel ongeveer 100 µs voor supergeleidende qubits. In deze tijdsduur kunnen slechts een paar quantumpoorten met succes worden uitgevoerd.

Qubit-ruis en decoherentie vereisen het gebruik van quantumfoutcorrectiecodes (“quantum error correction codes” of QECC), die diverse fysieke qubits combineren tot logische qubits met een veel lager foutenpercentage en een langere levensduur. Hoewel de concepten van QECC op kleine schaal in laboratoria zijn bevestigd, is het een uitdaging om deze op grotere schaal te implementeren. Ten eerste is het opschalen van de hoeveelheid qubits ingewikkeld, wat het type ook is. Het aantal fysieke qubits dat nodig is om één logische qubit te maken, kan zelfs oplopen tot duizend. We hebben bovendien minstens 100 logische qubits nodig om een nuttige universele quantumcomputer te maken. Dit komt overeen met een systeem met 100.000 fysieke qubits en vandaag de dag bevinden we ons rond de 100.

Er vindt vreemd gedrag plaats op quantumniveau. Quantumobjecten gedragen zich als golven en deeltjes tegelijk. Het meten van een quantumobject laat de golffunctie echter instorten, dus een observator ziet het als een deeltje. Quantumobjecten kunnen ook in meerdere toestanden tegelijk bestaan – iets dat superpositie wordt genoemd. Ze kunnen daarnaast ook verstrengeld raken met andere quantumobjecten.

Wat is quantumverstrengeling? Het betekent dat het meten van één object ook het verstrengelde object beïnvloedt, zelfs als de twee ver van elkaar verwijderd zijn. Verstrengelde quantumobjecten hebben gepaarde toestanden, maar willekeurige.

Omdat deze gedragingen moeilijk te begrijpen en uit te leggen zijn, worden ze vaak te eenvoudig beschreven. Het is bijvoorbeeld niet juist om te zeggen dat een qubit "zowel 0 als 1 tegelijk" is. Bovendien zullen quantumcomputers waarschijnlijk niet altijd beter en sneller zijn dan klassieke computers – voor bepaalde soorten problemen zullen gewone computers de betere optie blijven. Zelfs waar quantumcomputers een voordeel zouden kunnen bieden, bijvoorbeeld bij het ontcijferen van encryptie, zijn we nog lang niet in staat om zo'n apparaat te bouwen.

De quantumcomputers van vandaag zijn wel significant beter dan eerdere apparaten. Maar ze moeten nog aantonen dat ze effectief praktische problemen kunnen oplossen.

Wat is de toekomst van quantumcomputing? Vele onderzoekers en fabrikanten in de sector werken eraan nieuwe mijlpalen te bereiken. Er is groeiende belangstelling voor het opleiden van de volgende generatie van quantumcomputingdeskundigen en programmeurs. Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van quantumcomputertechnologie zullen de vraag naar innovatie waarschijnlijk ook aanjagen op gebieden als cloudopslag, datamining en andere technologieën.

OVHcloud begint ontwikkelaars via de cloud toegang te verschaffen tot alle verschillende technologieën, door middel van partnerschappen met quantumstart-ups als Pasqal en Quandela, maar ook met spelers als Atos. Emulatie, simulatie en QPU zullen worden geïmplementeerd om een brede keuze te bieden en een coherent Europees Quantumecosysteem te helpen bouwen.

"OVHcloud kan helpen een coherent Europees Quantumecosysteem te bouwen"
Octave Klaba - Oprichter & President, OVHcloud

OVHcloud werkt samen met Atos en stelt de quantumemulator van Atos als een service beschikbaar voor onze gebruikers. Ons doel is om quantumemulatietechnologieën toegankelijker te maken voor onderzoekslaboratoria, universiteiten, start-ups en grote bedrijven die quantumsoftware willen ontwerpen en baanbrekende toepassingen willen verkennen vóór de quantumcomputingmarkt.

Door gebruik te maken van Atos-technologie kan OVHcloud oplossingen voor quantumberekeningen aanbieden via Jupyter Notebooks, waardoor ontwikkelaars gemakkelijk toegang hebben en er voortgebouwd wordt op het werk van de artificiële intelligentieteams van OVHcloud.

Meer informatie kunt u vinden in de aankondiging over quantumcomputing van Atos en OVHcloud.

Octave Klaba in France Quantum

Een ontwikkeltoolkit voor quantumfotonica voor een breed scala aan eindgebruikers

PASQAL – Eerste Neutrale Atomen Quantumcomputer beschikbaar op de cloud