Quantum computing
De golffunctie van kwantumdeeltjes kunnen gebruikt worden om computers te bouwen die op een compleet andere manier werken dan ‘klassieke’ computers. Een gewone bit heeft een waarde van 0 of 1, maar dankzij kwantumprincipes kan een qubit (quantum bit) een superpositie van beide aannemen. De golffunctie bestaat tot het moment van waarneming, waarna hij ineenstort en je een 0 en een 1 krijgt. De superpositie is geen simpele decimale (of floating point) waarde zoals 0,66, maar het is een driedimensionale waarde, zoals je in de bijbehorende afbeelding kan zien. Hoewel we in strikte zin niet kunnen stellen dat de superpositie van een qubit enkel een kans aangeeft, gedraagt het zich wel zo bij uitlezing. Op het moment dat je een qubit uitleest krijg je een 0 of een 1, en deze waarde hangt af van de superpositie. Als een qubit (bij wijze van spreken) een superpositie van 0,66 heeft, dan is er een tweederde kans dat je bij uitlezing een 1 krijgt, en een kans van een derde dat je een 0 krijgt.
Tot dusver lijkt dit wellicht weinig nuttig: we hebben het immers over een computer die onnauwkeurigheden introduceert in de berekening. Een superpositie kan echter goed van pas komen. Door middel van kwantumalgoritmes kunnen bepaalde taken tot wel exponentieel sneller uitgevoerd worden dan met een klassieke computer. Daarvoor geldt: hoe meer qubits, des te sneller.
Door verschillende qubits te verstrengelen (in het Engels: entanglement) kunnen deze namelijk 2n verschillende staten aannemen, waarbij n het aantal verstrengelde qubits vertegenwoordigt. Met twee entangled qubits heb je vier staten, met drie qubits acht en met vier qubits zestien, enzovoort. Verstrengelde qubits zijn zo als het ware de transistors van een kwantumcomputer.
Alleen een Riemann-bol kan de volledigheid van een bepaalde kwantum superpositie weergeven.
Dat wil niet zeggen dat ze ook werken zoals transistors. Er zijn nogal wat uitdagingen in het rekenen met qubits. Zo mag het resultaat van de berekening pas aan het einde worden uitgelezen – zodra de kwantumstaat wordt uitgelezen, stort de (golf)functie immers ineen. Het is ook niet mogelijk om dat met een omweg te doen: zo kan je een kwantumstaat niet kopiëren, zonder de oorspronkelijke te vernietigen. Dit is het gevolg van het no cloning theorem, waar we hier verder niet op ingaan.
Een veel simpelere manier om een superpositie aan te geven is het gebruiken van decimale getallen, maar dit geeft niet alle informatie weer. Hierboven zie je het resultaat van een berekening met de Quantum Experience van IBM.
Dit gaat overigens op voor de qubits die daadwerkelijk worden gebruikt voor berekeningen. Er zijn ook andere qubits nodig, bijvoorbeeld voor foutcorrectie. Kwantumstaten zijn namelijk heel gevoelig voor storing, die met behulp van deze ancillary qubits (hulp qubits) kan worden gecompenseerd. Het is namelijk wel mogelijk om een gedeelte van kwantuminformatie te bewaren in ancillary qubits, ondanks dat het dus niet mogelijk is om kwantuminformatie in zijn geheel te kopiëren zonder het origineel te vernietigen. Hiervoor is wel een grote hoeveelheid hulp qubits nodig, aangezien iedere hiervan slechts een klein deel van de kwantuminformatie kan bevatten. Per ‘reken’-qubit is er een veelvoud aan ancillary qubits.
Ook met ancillary qubits is een kwantumcomputer alleen in zeer bijzondere omstandigheden operationeel te maken. Zo is hiervoor magnetische koeling nodig, die de temperatuur in de computer tot ver beneden het vriespunt kan brengen, in de buurt van het absolute nulpunt. Dit is nodig om de qubits volledig af te schermen van de invloed van de buitenwereld. Dat heeft meerdere redenen. Zoals gezegd leidt waarneming tot verlies van de kwantumstaat. Daarnaast zijn qubits zo klein, dat ze eenvoudig aangetast kunnen worden door omgevingsinvloeden – warmte, (licht)deeltjes, geluid.
