Skip to main content

Signalen

Kwantumcomputing

De volgende generatie computertechnologie

De komst van kwantumcomputing vertegenwoordigt de volgende grote technologische transformatie, die uitgebreide economische en sociale veranderingen teweegbrengt. Hier is een korte inleiding over wat er van de technologie wordt verwacht.

De volgende generatie computertechnologie

Quantum computing (QC) is de volgende generatie computertechnologie, die gebruikmaakt van kwantumfysica.

Terwijl klassieke computers afhankelijk zijn van de bit, de basiseenheid, vertrouwt kwantumcomputing op de qubit - of elke waarde tussen qubits, of een combinatie daarvan.

Terwijl een bit bestaat volgens een binaire logica - het is 0 of 1, uit of aan - kan een qubit tegelijkertijd in zowel de 0-toestand als de 1-toestand bestaan, in een fenomeen dat bekend staat als "superpositie".

"Verstrengeling" is een ander fundamenteel fenomeen dat QC zijn kracht geeft. Wanneer twee of meer qubits verstrengeld zijn, fungeren ze als een enkel systeem, net als tandwielen die verstrikt zijn in een versnellingsbak, zodat een verandering in één qubit alle andere verandert waarmee het verstrengeld is. Dat betekent dat een enkele bewerking tegelijkertijd de toestanden van veel qubits kan beïnvloeden.

Het resultaat is een verrassend krachtiger nieuw type computergebruik.

Tegen 2030 zouden er wereldwijd tussen de 2.000 en 5.000 kwantumcomputers kunnen zijn. Er waren er minder dan een dozijn in 2018.

Computers die exponentieel krachtiger zijn

1 Quantum Computer kan een probleem oplossen waarvoor een cluster van 512 GPU'snodig zou zijn

QC heeft het potentieel om problemen op te lossen die exponentieel complexer zijn dan de problemen die klassieke computers kunnen oplossen.

Een kwantumcomputer met 1.000 qubits (die naar verwachting binnen 2-3 jaar zal arriveren) zou in staat zijn om tegelijkertijd op 10³⁰¹ (dat is een 1 gevolgd door 301 nullen) verschillende zogenaamde "informatietoestanden" te werken.

Een "toestand" betekent in deze context één mogelijke oplossing voor een bepaald probleem. De meeste mogelijke oplossingen zullen verkeerd zijn, dus hoe meer staten we kunnen verkennen, hoe groter onze kansen om de beste oplossing te vinden.

Twee architecturen, twee tijdsbestekken

Quantum gloeiers zijn gespecialiseerd in optimalisatietaken. Een luchtvaartmaatschappij zou zo'n computer kunnen gebruiken om een optimaal schema van vliegtuigroutes op te stellen, een schema dat het brandstofverbruik minimaliseert en er tegelijkertijd voor zorgt dat alle passagiersschema's worden gehaald.

Over 2-5 jaarzullen ze een commerciële impact hebben.

 

Gate-based quantumcomputers zijn universeel, wat betekent dat ze een breed scala aan problemen kunnen berekenen. In de toekomst zal een farmaceutisch bedrijf er een gebruiken om nieuwe medicijnverbindingen te simuleren, waarbij de effecten van miljoenen ervan worden onderzocht zonder ze te hoeven synthetiseren en testen.

Over 7-10 jaarzullen ze een commerciële impact hebben.

Kwantumtechnologieën

Supergeleidende qubits

Een van de toonaangevende technologieplatforms voor de ontwikkeling van kwantumcomputers. IBM, Google, D-Wave en anderen zetten het aan het werk. Supergeleidende systemen werken doorgaans bij zeer lage temperaturen, dicht bij het absolute nulpunt om de juiste omstandigheden voor kwantumberekeningen te creëren.

Kwantumnetwerken

Kwantumnetwerken maken de overdracht van kwantumverstrengelde informatie via communicatiekanalen mogelijk. Ze zijn een van de ondersteunende technologieën achter QKD en zorgen voor zowel verbeterde beveiliging als meer bandbreedte.

Kwantumsleutelverdeling (QKD)

Een veilige communicatiemethode die een cryptografisch protocol implementeert met componenten van de kwantummechanica. Het stelt twee partijen in staat om een gedeelde willekeurige geheime sleutel te produceren die alleen zij kennen, een sleutel die vervolgens kan worden gebruikt om berichten te versleutelen en te ontsleutelen. Het belooft onkwetsbaar te zijn voor snooping of "man-in- the-middle" aanvallen.

Kwantum sensor

Een apparaat dat werkt door variaties in microzwaartekracht te detecteren met behulp van de principes van de kwantumfysica, die gebaseerd is op het manipuleren van de natuur op submoleculair niveau. Kwantumdetectie maakt gebruik van kwantummechanische eigenschappen zoals kwantumverstrengeling, kwantuminterferentie en kwantumtoestandknijpen om de huidige grenzen in de sensortechnologie te overschrijden en het onzekerheidsprincipe te omzeilen.

Kwantum-ion qubits

Kwantumionenvallen zijn een ander technologieplatform dat wordt gebruikt om kwantumcomputers te ontwikkelen. Het gaat om het gebruik van elektrischemagnetische kracht om ionen in de vrije ruimte op te sluiten. lonQ is de belangrijkste voorstander van deze aanpak.

Gloeien architecturen

Een annealing architectuur is eenvoudiger en is gebaseerd op het idee om de laagste energietoestand in het kwantumsysteem te vinden. Deze toestand met de laagste energie komt overeen met de optimale oplossing van een optimalisatieprobleem.

Poortarchitecturen

Gate-architecturen gebruiken het kwantumequivalent van de logische poorten die dienen als de bouwstenen van op silicium gebaseerde centrale verwerkingseenheden. Gezien dat feit kan een gate-based kwantumcomputer, in theorie althans, dezelfde reeks problemen berekenen als een traditionele computer.

Fotonica

Fotonische systemen vertrouwen op lichtpulsen en lichtpolarisatie om hun qubits te creëren. In tegenstelling tot de meeste andere qubit-technologieën hebben ze het voordeel dat ze bij kamertemperatuur werken, maar ze werken meestal veel langzamer dan supergeleidende qubits. Xanadu is het toonaangevende bedrijf dat een op fotonen gebaseerde benadering van QC nastreeft.

Post-kwantumcryptografie (PQC)

Post-kwantumcryptografie is de verzamelnaam voor nieuwe versleutelingsbenaderingen met openbare sleutels die resistent zijn tegen kwantumcomputers. Het proces van het selecteren van PQC-algoritmen wordt beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST). De meeste grote organisaties volgen het voorbeeld van NIST.

Kwantumcomputing in de cloud

Hardware

Bedrijven die QC nodig hebben, hebben doorgaans geen eigen computers. Het idee van on-premises kwantumcomputers is momenteel niet praktisch, om een aantal belangrijke redenen:

  • Quantumapparaten zijn duur
  • Hun werking is complex en dus duur
  • Gezien hoe vaak kwantumapparaten upgrades ontvangen van hun fabrikanten, zou een individueel apparaat snel verouderd raken

In plaats daarvan hebben eindgebruikers van kwantumcomputers er toegang toe via clouddiensten.

Er zijn momenteel twee benaderingen voor het aanbieden van QC in de cloud:

Voor- en nadelen van de twee benaderingen

Eigen cloud

In deze aanpak bieden providers toegang tot hun eigen QC-apparaten via hun eigen clouddiensten. IBM is het belangrijkste bedrijf dat deze aanpak volgt en biedt QC aan via zijn IBM Q Network.

Sterktes

Nauwere integratie tussen het bestaande cloudplatform van de provider en het quantumplatform Verminderde netwerklatentie tussen een klassiek cloudplatform en het quantumplatform, wat een voordeel zal zijn voor toepassingen met lage latentie (zoals fraudedetectie)

Zwakke punten

Beperkte selectie van quantum computing back-end opties

Potentieel voor restrictievere commerciële modellen

Gevaar van vendor lock-in

Publieke cloud

In deze benadering bieden toonaangevende cloudservices toegang tot de QC-apparaten van externe leveranciers. Amazon Braket biedt bijvoorbeeld toegang tot D-Wave, rigetti, Oxford Quantum Circuits, IonQ en Xanadu, en er zitten er nog meer in de pijplijn. Microsoft Azure Quantum biedt toegang tot Quantinuum, IonQ, Quantum Circuits Inc, rigetti, PASQAL, 1QBit, Microsoft QIO en Toshiba SQBM+.

Sterktes

Gebruikmaakt van de bestaande toegangs- en factureringsservices van de cloudprovider en vergelijkbare gedeelde services

Biedt een gemakkelijke oprit naar toegang tot kwantumcomputers, meestal met een "pay as you go"-model

Biedt toegang tot een breed scala aan kwantumcomputers, waardoor vergelijking tussen platforms mogelijk is en het juiste apparaat voor het probleem kan worden geïdentificeerd

Zwakke punten

Neiging tot hogere latentie bij toegang tot het kwantumapparaat als gevolg van netwerkretouren en wachtrijen

Dat zorgt op zijn beurt voor problemen in toepassingen zoals fraudedetectie en hoogfrequente handel die realtime of lage latentievereisten hebben, tot het punt waarop dergelijke toepassingen mogelijk niet praktisch zijn

 

 

In de toekomst kunnen cloudproviders kwantumapparaten in hun datacenters hosten naast hun traditionele CPU- en GPU-hardware, waardoor latentie-effecten worden geminimaliseerd en een nieuwe klasse van high-throughput, low-latency quantum-klassieke hybride toepassingen mogelijk wordt, zoals fraudedetectie en hoogfrequente handel.

Software/API's

API's en bijbehorende SDK's zijn meestal open-source en, op enkele uitzonderingen na, geschreven in de programmeertaal Python.

Elke toonaangevende QC leverancier levert meestal zijn eigen API's om zijn apparaten of diensten te ondersteunen.

Sommige leveranciers, zoals IonQ, hebben besloten de API's van andere leveranciers te ondersteunen in plaats van hun eigen propriëtaire API's te ontwikkelen. IonQ ondersteunt bijvoorbeeld Qiskit van IBM en Cirq. Met deze aanpak kunnen kwantumalgoritmen die in Qiskit zijn geschreven voor bijvoorbeeld een IBM kwantummachine eenvoudiger worden overgezet naar een IonQ apparaat.

In de toekomst zal een klein aantal gestandaardiseerde API's te zien zijn, geleverd of verplicht gesteld door de grote tech-/cloudproviders (IBM/Amazon/Microsoft), waarop leveranciers van kwantumcomputing-hardware zullen voortbouwen.

Toepassingen in de financiële dienstverlening

In hun streven naar leiderschap op het gebied van QC zullen financiële instellingen waarschijnlijk merken dat het ontwikkelen en behouden van vaardigheden en talent een belangrijk strijdpunt wordt. Koplopers in de toepassing van kwantumtechnologieën zullen hun veiligheid, operationele efficiëntie en producteffectiviteit aanzienlijk zien toenemen, terwijl achterblijvers deze aspecten van hun bedrijf zullen zien afnemen.

Hoewel we niet verwachten dat kwantumcomputers voldoende krachtig zijn om de huidige PKI-gebaseerde cryptosystemen gedurende ten minste 10-12 jaar te ontcijferen, is er nog veel werk aan de winkel om ze voor te bereiden op het tegengaan van kwantumbedreigingen.

Een katalyserend effect in andere sectoren

QC heeft potentieel transformatieve toepassingen op een reeks andere gebieden.

Ontdekking van geneesmiddelen

Quantum Computing zal het ontdekkingsproces van geneesmiddelen verbeteren door de identificatie en simulatie van moleculen te versnellen. Het zal experimenten verplaatsen van natte laboratoria naar computers en onderzoekers zullen toegang hebben tot chemische combinaties die tientallen jaren zouden duren om conventionele computers te bedenken.

Cyberbeveiliging

Kwantumcomputers vormen een bedreiging voor de beveiligingsruggengraat van de huidige netwerken: RSA-cryptografie met openbare sleutels. Maar de quantumtechnologie zal ook nieuwe en nog veiligere vormen van communicatie mogelijk maken.

Logistiek

QC zal onze toeleveringsketens transformeren door ongekend complexe hoeveelheden gegevens te verwerken met betrekking tot productiecapaciteit, geografie en infrastructuur, weerpatronen, routering, capaciteit van spoor- en scheepvaartroutes en meer.

Automotive

QC zal dichter bij een levensvatbaar ecosysteem voor autonome voertuigen komen. Quantum-aangedreven AI en machine learning zullen het leerproces van de benodigde algoritmen versnellen. Beeldclassificatie en 3D-objectdetentie zullen ook profiteren van QC.

Simulatie

QC zal nieuwe mogelijkheden bieden in het modelleren van de werkelijkheid. We zullen extreme weersomstandigheden beter voorzien, klimaatverandering in kaart brengen, voorspellen hoe stedelijke ontwikkeling de uitstoot zal beïnvloeden, bevolkingsgroei voorspellen - en meer.

Naarmate QC aan populariteit wint, zullen we natuurlijk use-cases zien verschijnen in tal van sectoren.

OPKOMENDE TECHNOLOGIE

De spelers in QC op dit moment

Verschillende hardwareleveranciers maken hun eigen quantumcomputers, waarbij ze gebruik maken van verschillende onderliggende fysische fenomenen en zowel universele, poortgebaseerde benaderingen als de quantum annealing benadering toepassen. Deze omvatten:

Naast hardwareleveranciers, die elk doorgaans hun eigen softwarebibliotheken aanbieden (bijv. IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq), zijn er ook een aantal pure-play leveranciers van kwantumsoftware. Onder hen:

QC-marktgroei

2016

$89M

Wereldwijde markt voor kwantumcomputing

2025

$ 949 miljoen

Wereldwijde markt voor kwantumcomputing (geprojecteerd)

30% CAGR van 2017 tot 2025

Groot potentieel in het verschiet

Kwantumcomputers zullen geschikt zijn voor bepaalde taken. Op korte termijn zullen kwantumcomputers uitblinken in het oplossen van complexe numerieke problemen en zullen ze naast bestaande klassieke computers bestaan om kwantumklassieke hybride systemen mogelijk te maken. Hybriditeit is belangrijk, want terwijl klassieke computers kant-en-klare output leveren, leveren kwantumcomputers output in kansverdelingen, waarbij sets antwoorden worden gegenereerd die vervolgens mogelijk moeten worden gewanft met behulp van klassieke computers. Verder in de toekomst heeft QC het potentieel om transformerend te zijn. Het zal enorme verbeteringen teweegbrengen op bepaalde gebieden, ons de middelen geven om revolutionaire nieuwe medicijnen te creëren, om de werking van onze financiële markten te optimaliseren, om onze netwerken te beveiligen, om complexe systemen te begrijpen, van de ecologieën van de aarde tot wereldwijde netwerken van vraag en aanbod – en meer. Wat de maximale effecten betreft, ligt de horizon open. Er zijn belangrijke veranderingen op sociaal en economisch niveau in het verschiet: net als klassieke computers zal QC een uitgebreide transformatie teweegbrengen in termen van hoe we leven. Maar het verhaal moet nog worden geschreven en de komende decennia zullen getuige zijn van wat onze knapste koppen kunnen doen met dit krachtige nieuwe hulpmiddel.