Inhoudsopgave[Zich verstoppen][Laten zien]
Digitale transformatie verandert de wereld sneller dan ooit tevoren. Leren over de belangrijkste concepten van het digitale tijdperk zal nog belangrijker worden met de aanstaande komst van een nieuwe golf van technologie die bestaande modellen met verbazingwekkende snelheid en kracht kan transformeren: kwantumcomputing.
In dit artikel vergelijken we de basisconcepten van traditionele computers en kwantumcomputers, en beginnen we ook hun toepassing op verschillende gebieden te verkennen.
Wat zijn kwantumeigenschappen?
Door de geschiedenis heen hebben mensen technologie ontwikkeld omdat ze door de wetenschap de werking van de natuur zijn gaan begrijpen. Tussen de jaren 1900 en 1930 leidde de studie van enkele fysische fenomenen die nog niet goed begrepen waren tot een nieuwe fysische theorie: kwantummechanica. Deze theorie beschrijft en verklaart de werking van de microscopische wereld, de natuurlijke habitat van moleculen, atomen en elektronen.
Het heeft niet alleen deze verschijnselen kunnen verklaren, maar het heeft het ook mogelijk gemaakt om te begrijpen dat de subatomaire werkelijkheid werkt op een volledig contra-intuïtieve, bijna magische manier, en dat er gebeurtenissen plaatsvinden in de microscopische wereld die niet voorkomen in de macroscopische wereld.
Deze kwantumeigenschappen omvatten kwantumsuperpositie, kwantumverstrengeling en kwantumteleportatie.
- Quantum superpositie beschrijft hoe een deeltje tegelijkertijd in verschillende toestanden kan zijn.
- Kwantumverstrengeling beschrijft hoe twee deeltjes in een "verstrengelde" toestand kunnen worden gebracht en daarna bijna gelijktijdig op dezelfde manier reageren, ondanks hun fysieke afstand. Met andere woorden, ze kunnen zo ver uit elkaar worden geplaatst als gewenst, en wanneer ze met de een communiceren, reageert de ander op diezelfde interactie.
- Quantum teleportatie gebruikt kwantumverstrengeling om informatie van de ene plek in de ruimte naar de andere te sturen zonder door de ruimte te hoeven reizen.
Quantumcomputing is gebaseerd op deze kwantumeigenschappen van subatomaire aard.
In dit geval stelt het huidige begrip van de microscopische wereld door middel van kwantummechanica ons in staat technologieën uit te vinden en te ontwerpen die het leven van mensen kunnen verbeteren. Er zijn veel verschillende technologieën die gebruik maken van kwantumfenomenen, en sommige daarvan, zoals lasers of magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), bestaan al meer dan een halve eeuw.
Wat is kwantumcomputers?
Om te begrijpen hoe kwantumcomputers werken, is het handig om eerst uit te leggen hoe de computers die we dagelijks gebruiken, in dit artikel digitale of klassieke computers genoemd, werken. Deze gebruiken, net als alle andere elektronische apparaten zoals tablets of mobiele telefoons, bits als hun fundamentele geheugeneenheden. Dit betekent dat programma's en toepassingen zijn gecodeerd in bits, dwz in een binaire taal van nullen en enen.
Elke keer dat we interactie hebben met een van deze apparaten, bijvoorbeeld door op een toets op het toetsenbord te drukken, worden reeksen nullen en enen gemaakt, vernietigd en/of gewijzigd in de computer.
De interessante vraag is, wat zijn deze nullen en enen fysiek in de computer? De nul- en één-toestanden van de bits komen overeen met de elektrische stroom die al dan niet vloeit door microscopische deeltjes die transistors worden genoemd en die als schakelaars werken. Als er geen stroom vloeit, is de transistor "uit" en komt overeen met een bit 0, en als hij vloeit, is hij "aan" en komt hij overeen met een bit 1.
In een meer vereenvoudigde vorm is het alsof de bits 0 en 1 overeenkomen met gaten, zodat een leeg gat een bit 0 is en een gat dat wordt ingenomen door een elektron een bit 1. Nu we een idee hebben van hoe de computers van vandaag werken , laten we proberen te begrijpen hoe kwantumcomputers werken.
Van bits naar qubits
De fundamentele informatie-eenheid in quantumcomputing is de quantumbit of qubit. Qubits zijn per definitie kwantumsystemen met twee niveaus die, net als bits, zich op het lage niveau kunnen bevinden, wat overeenkomt met een toestand van lage excitatie of energie gedefinieerd als 0; of op het hoge niveau, wat overeenkomt met een toestand van hogere excitatie of gedefinieerd als 1.
Echter, en hier ligt het fundamentele verschil met klassiek computergebruik, qubits kunnen zich ook in een oneindig aantal tussentoestanden tussen 0 en 1 bevinden, zoals een toestand die half 0 en half 1 is, of driekwart van 0 en een kwart van 1. Dit fenomeen staat bekend als kwantumsuperpositie en is natuurlijk in kwantumsystemen.
Kwantumalgoritmen: exponentieel krachtiger en efficiënter computergebruik
Het doel van kwantumcomputers is om te profiteren van deze kwantumeigenschappen van qubits, als kwantumsystemen, om kwantumalgoritmen te kunnen uitvoeren die superpositie en verstrengeling gebruiken om een veel grotere verwerkingskracht te bieden dan klassieke.
Het is belangrijk erop te wijzen dat de echte paradigmaverschuiving er niet in bestaat hetzelfde te doen wat digitale of klassieke computers -de huidige- doen, maar sneller, zoals veel artikelen ten onrechte beweren, maar dat kwantumalgoritmen het mogelijk maken dat bepaalde bewerkingen worden uitgevoerd. op een totaal andere manier uitgevoerd; dat is vaak efficiënter - dat wil zeggen, in veel minder tijd of met veel minder rekenkracht -.
Laten we eens kijken naar een concreet voorbeeld van wat dit inhoudt. Laten we ons voorstellen dat we in San Francisco zijn en we willen weten wat de beste route naar New York is uit een miljoen opties om er te komen (N=1,000,000). Om computers te kunnen gebruiken om de optimale route te vinden, moeten we 1,000,000 opties digitaliseren, wat betekent dat we ze moeten vertalen naar bittaal voor de klassieke computer en naar qubits voor de kwantumcomputer.
Terwijl een klassieke computer alle paden één voor één zou moeten doorlopen totdat hij de gewenste vindt, profiteert een kwantumcomputer van een proces dat bekend staat als kwantumparallellisme, waardoor hij in wezen alle paden tegelijk kan overwegen. Dit houdt in dat de kwantumcomputer veel sneller de optimale route zal vinden dan de klassieke computer, door de optimalisatie van gebruikte bronnen.
Om de verschillen in rekencapaciteit te begrijpen, kunnen we met n qubits het equivalent doen van wat mogelijk zou zijn met 2n stukjes. Er wordt vaak gezegd dat met ongeveer 270 qubits zou je meer basistoestanden in een kwantumcomputer kunnen hebben – meer verschillende en gelijktijdige tekenreeksen – dan het aantal atomen in het universum, dat wordt geschat op ongeveer 280. Een ander voorbeeld is dat geschat wordt dat je met een kwantumcomputer van tussen de 2000 en 2500 qubits praktisch alle cryptografie die tegenwoordig wordt gebruikt (bekend als public key cryptografie) zou kunnen doorbreken.
Wat cryptografie betreft, zijn er tal van voordelen aan het gebruik van quantum computing. Als twee systemen puur verstrengeld zijn, betekent dit dat ze met elkaar gecorreleerd zijn (dwz als de ene verandert, verandert de andere ook) en geen enkele derde partij deelt deze correlatie.
Conclusie
We bevinden ons in een tijd van digitale transformatie waarin verschillende opkomende technologieën zoals blockchain, kunstmatige intelligentie, drones, Internet of Things, virtual reality, 5G, 3D-printers, robots of autonome voertuigen zijn steeds vaker aanwezig in meerdere vakgebieden en sectoren.
Deze technologieën, die bedoeld zijn om de kwaliteit van het menselijk leven te verbeteren door ontwikkeling te versnellen en sociale impact te genereren, evolueren momenteel parallel. Slechts zelden zien we bedrijven producten ontwikkelen die combinaties van twee of meer van deze technologieën benutten, zoals blockchain en IoT of drones en kunstmatige intelligentie.
Hoewel ze voorbestemd zijn om te convergeren en dus een exponentieel grotere impact te genereren, betekenen de vroege ontwikkelingsfase waarin ze zich bevinden en de schaarste aan ontwikkelaars en mensen met een technische achtergrond dat convergenties nog steeds een uitstaande taak zijn.
Vanwege hun disruptieve potentieel wordt verwacht dat kwantumtechnologieën niet alleen convergeren met al deze nieuwe technologieën, maar ook een brede invloed zullen hebben op vrijwel alle technologieën. Quantum computing zal de authenticatie, uitwisseling en veilige opslag van gegevens bedreigen, met een grotere impact op die technologieën waarin cryptografie een relevantere rol speelt, zoals cybersecurity of blockchain.
Laat een reactie achter