Waar Schrödingers kat een eeuw geleden zowel dood als levend was, staan we nu aan het begin van een tweede quantumrevolutie. Schrödingers poging om het paradoxale karakter van de quantummechanica te doorgronden bleek ondergeschikt aan de mogelijkheden die de techniek sindsdien heeft opgeworpen. Het vermogen van quantumdeeltjes om op verschillende plaatsen tegelijk te zijn in een subatomaire wereld, gaat onze simpele, macroscopische wereld te boven. Er wordt op dit moment veel onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van quantummechanica als theoretisch kader voor technologie. Het resultaat? Quantum computing. Deze nieuwe vorm van data verwerken door middel van een quantumcomputer zou de wereld wel eens op z’n kop kunnen zetten.
Voorbij de binaire grenzen
Voortbordurend op Einsteins relativiteitstheorie en de doorbraken tijdens de eerste quantumrevolutie, aangevuld met hedendaagse technologie, vormt de quantumcomputer een nieuwe dimensie in onze beleefwereld. Het apparaat waarop je dit artikel leest maakt hoogstwaarschijnlijk gebruik van bits met een waarde van 1 of 0 om informatie uit te drukken. De quantumcomputer gooit deze norm overboord en maakt gebruik van zogenoemde quantum bits of ‘qubits’ die op hetzelfde moment zowel een 1 als een 0 kunnen zijn. Deze ‘superpositie’ van de qubits maakt informatie verwerken door middel van elektronen of andere quantummechanische deeltjes mogelijk. Met qubits kan informatie razendsnel verwerkt worden; sneller dan de lichtsnelheid welteverstaan. In tegenstelling tot onze huidige computers, die alle mogelijke oplossingen moeten doorlopen totdat er een match gevonden is, kan een quantumcomputer alle mogelijke oplossingen tegelijkertijd doorlopen dankzij die superpositie van de qubits. Ook is afstand geen issue in de communicatie tussen twee quantummechanische deeltjes waardoor het meten van de toestand van één deeltje je ook gelijk de toestand van het andere deeltje vertelt – informatie wordt dus met de snelheid van het licht verwerkt. Deze gepaarde deeltjes, of ‘quantumverstrengeling’, vormen een belangrijke basis voor de technologie achter de quantumcomputer.
Paradoxale deskundigheid
Wat heeft die kat er nu mee te maken? De eerder genoemde superpositie is voor ons als doodgewone stervelingen moeilijk te bevatten. Als je ergens bent kun je niet tegelijkertijd ergens anders zijn, punt. Helaas gelden onze regels niet op subatomisch niveau. Tot op het moment dat een meting wordt gedaan van de toestand van ‘iets’, is het ‘iets’ zowel het één als het ander. Dit ogenschijnlijk tegenstrijdige en vooral vage principe werd in de jaren dertig door befaamd natuurkundige Erwin Schrödinger gedemonstreerd met een gedachte-experiment. En dit is waar de kat in het verhaal komt. Het experiment is opgezet om het effect van een meting op een mogelijke toestand aan te tonen. Een kat wordt in een doos gezet waarin ook een gif zit dat binnen een uur met een kans van 50% wordt afgegeven. Dit betekent dat de waarnemer niet weet of de kat dood of levend is totdat deze de doos opent. Tot het moment van openen is de kat dus zowel levend als dood voor de waarnemer.
Als Schrödingers experiment vertaald wordt naar de technologie van de quantumcomputer is de kat een qubit; tot het moment van de waarneming is de qubit een 1 én een 0. De kans van beide toestanden staat opgeteld gelijk aan 100%, waarbij pas na een waarneming vastgesteld kan worden of een qubit de 1- of de 0-waarde heeft. Bepalend voor deze waarde is de rotatierichting of ‘spin’ van de elektron; de spin van een elektron kan linksom of rechtsom draaien, wat te vertalen is naar spin-up of spin-down – en uiteindelijk te interpreteren is als een 1 of een 0.
Product van vorige eeuw
De quantumcomputer klinkt misschien als een typische eenentwintigste-eeuw-uitvinding maar de blauwdrukken werden al in de jaren tachtig van de vorige eeuw op tafel gelegd. Het concept voor een computer die op de natuurkundige theorie van de quantummechanica werkt, werd bedacht en opgezet door natuurkundigen Paul Benioff, Yuri Manin en Richard Feynman – waarvan de laatste ooit beweerde dat niemand, ook Feynman zelf niet, quantummechanica echt 100% begreep. Toch werden de ideeën van de drie natuurkundigen doorontwikkeld in de jaren na het ontstaan van het quantumcomputer-concept en wordt er de laatste jaren gigantisch geïnvesteerd in deze technologie. Niet zonder reden, uiteraard.
Een quantumtoekomst ligt in het verschiet
De mogelijkheden van de quantumcomputer worden langzamerhand steeds duidelijker. Er wordt op dit moment intensief onderzoek gedaan naar de potentiële toepassingen van quantumcomputers. En deze toepassingen blijken niet gelimiteerd tot het verhelpen van kleinschalige problemen. Omdat een quantumcomputer erg snel parallelle berekeningen kan uitvoeren – véél sneller dan de binaire computers die we dagelijks gebruiken – kunnen grote vraagstukken effectiever getackeld worden. Niet in elke sector kan een quantumcomputer uitkomst bieden, maar in sectoren als geneeskunde, veiligheid, biologie, chemie en materiaalkunde kan de technologie wel eens voor interessante doorbraken zorgen. Een quantumcomputer ‘denkt’ namelijk zoals de natuur; problemen die met binaire computers niet te omvatten zijn kunnen met een quantumcomputer worden aangepakt vanwege de mogelijkheid om natuurkundige systemen te simuleren – iets wat met een binaire computer niet mogelijk is.
Internet 2.0
Nu spoelen we behoorlijk ver vooruit, maar plannen voor een quantum- internet zijn in de maak. Chinese onderzoekers zijn begonnen met het testen van de verschillende mogelijkheden van quantum computing als framework voor quantum-netwerken. Deze netwerken hebben de potentie om uiteindelijk de basis te vormen voor een quantum-internet. Om dit realiteit te laten worden is het wel noodzakelijk dat quantumcomputers schaalbaar worden; quantumcomputers werken alleen in een specifieke omgeving, zijn vaak enorm en slurpen energie. De meest vooruitstrevende laboratoria zijn daarom volop alternatieve systemen aan het ontwikkelen voor de quantum computing-technologie.
Op dit moment breken natuurkundigen, onderzoekers en tech-specialisten hun hoofd over de toepassingen van quantum computing. Of we deze technologie in de toekomst echt in gebruik kunnen nemen op grote schaal of dat het een eeuwige belofte blijft, is afwachten.
Succes geen zekerheid
Als je de theorieën leest en de projecten bestudeert, kun je niet anders dan enthousiast worden over de mogelijkheden van quantum computing. Maar net als met alle grote technologische doorbraken moet ook hier een kanttekening bij geplaatst worden. Hoewel de technologie nog behoorlijk in de kinderschoenen staat, dienen de problemen zich al aan. Eén van deze problemen is de instabiliteit van de superpositie van qubits. Qubits moeten namelijk in superpositie worden gebracht voordat ze daadwerkelijk informatie kunnen verwerken. Het probleem is alleen dat de huidige qubits door de kleinste verstoring uit hun superpositie worden gehaald. Deze ‘decoherentie’ waarbij een qubit in aanraking komt met zijn omgeving en daardoor vervalt tot een 1 of een 0 – weg superpositie – vermindert de stabiliteit van een quantumcomputer. Om dit probleem te verminderen is het belangrijk dat qubits bestaan uit optimale bouwstenen. Er wordt daarom veel onderzoek gedaan naar welke quantummechanische deeltjes het meest geschikt zijn als bouwstenen voor de qubits. Kortom, er moet nog gigantisch veel onderzoek gedaan worden voordat quantum computing grootschalig ingezet kan worden.
Toekomstplannen zijn in de maak
De voordelen die quantum computing kan bieden op wereldniveau zijn ontzettend interessant. Scheikundige reacties doorberekenen waardoor mogelijk nieuwe materialen ontdekt worden. Verbeterde en zelfs geoptimaliseerde medicijnen ontwikkelen. De oorzaken van veranderingen in het klimaat achterhalen. Maar of we dit op korte termijn gaan meemaken? Laten we er over veertig jaar nog eens naar kijken.