Impact of Quantum Computing (H.Bethlehem)

SMC050 editie 59: 10 september 2018

Arian Stolk – QuTech
dr. Armand Stekelenburg – IBM

Bij Quantum Computing slaat mijn verbeelding op hol. Oplossingen voor het klimaatprobleem, nieuwe planeten die bezocht worden, of een Google CEO in 2045 die ergens ‘Interstellar-achtig’ in een 4e dimensie leeft en boodschappen doorgeeft via Morsecode. Ik kwam er al gauw achter dat dit geen editie is met beelden vol fantasievol vernuft, maar de natuurkundige en technische realiteit. Ook die spreekt tot de verbeelding. Een tipje van de sluier: deze blog is af en tegelijkertijd onaf.

Arian Stolk

Arian Stolk legt ons uit wat Quantum Computing inhoudt. Hij begon met Moores Law. (Je weet wel die grafiek in de vorm van een hockeystick, die illustreert hoe onze computerkracht toeneemt.) Dat gebeurt, aldus Arian doordat we steeds meer transistoren op een chip kwijt kunnen. Arian legt ons verder uit dat het verschijnsel dat Moores Law een halt gaat toeroepen ook het verschijnsel is dat aan de basis ligt van Quantum computing. Ik had er eigenlijk nooit over nagedacht dat er een einde aan Moores Law zou komen, maar Arian vertelt dat een transistor op een chip bestaat uit twee dozen en dat als we een elektron een stroompje geven en het bolletje daarvan links zit, dan is bit 0 en als het bolletje van de elektron rechts zit dan is bit 1. Hij vertelt dat als we maar ver genoeg doorgaan met het verkleinen van de transistoren, dat de elektrons / bolletjes niet meer in 1 doosje passen, en zich in de vorm van een golf uitspreiden over twee doosjes. Een bit is dan zowel 0 als 1. En die golf kun je gebruiken voor het maken van een qubit: kwantuminformatie. Een gewone computer zal dan niet meer functioneren, aldus Arian.

Superpositie

Vervolgens ging Arian in op verschillende verschijnselen van quantum computing. Hij legde allereerst uit dat een qubit kan worden gebruikt om een superpositie te maken.

Als voorbeeld van superpositie gaf hij het schudden van de hand van een vriend van hem uit de zaal, zonder dat hij weet waar diegene zit. Een normale computer werkt sequentieel en zou iedereen 1 voor 1 bij langs moeten gaan. Een quantum computer kan – afhankelijk van het aantal qubits exponentieel – iedereen tegelijkertijd parallel de hand schudden. De cellen in superpositie hangen samen en interacteren met elkaar, waardoor, als het juiste quantum algoritme gebruikt is, de kans om bij het meten van de qubits de kans om het goede antwoord te krijgen erg groot is. Voor veel belangrijke problemen in de chemie en optimalisatie technieken bestaat al zo’n quantum algoritme, maar nog geen hardware.
De parallelle fysieke cellen hangen samen en interacteren met elkaar, waardoor 1 cel de vraag gesteld hoeft te worden om het juiste antwoord te krijgen, aldus Arian.

Verstrengeling

Een ander verschijnsel waar Arian op ingaat is verstrengeling. Arian houdt zich voor zijn afstudeeronderzoek bij de TU Delft met dit onderwerp bezig in de vorm van Quantum Internet tussen vier steden. Daarmee zou je door middel van verstrengelde qubits klokken op lange afstand kunnen synchroniseren of berichten kunnen versleutelen. Hij legt uit dat door verstrengeling qubits elkaar perfect aanvullen en je dat niet doorhebt als je 1 qubit bekijkt, maar wel als je de verstrengelde qubits met elkaar vergelijkt. Ook dit vond ik erg interessant, maar ook erg ingewikkeld. Het spreekt tot de verbeelding dat je cellen op grote afstand kunt laten communiceren.

Arian heeft ons heel goed uitgelegd wat quantum computing inhoudt, en heel knap geprobeerd af te dalen naar ons (als ik voor de zaal mag spreken) en in ieder geval mijn begripsniveau om ons een indruk te geven.

Armand Stekelenburg

Armand Stekelenburg werkt 21 jaar bij IBM en momenteel als IBM Q Ambassador. Later gaat hij in op wat IBM Q inhoudt. Allereerst gaat hij in op enkele ‘use cases’ en ‘quantum advantage’. Hij vertelt dat het kan worden toegepast in de chemie, kunstmatige intelligentie en financiële dienstverlening en dat het verbeteren van je ‘quantum volume’ belangrijk is om je ‘quantum advantage’ te bereiken.

‘Quantum volume’ omschrijft hij als het aantal qubits minus de ‘error rate’. Als je je ‘error rate’ kunt verbeteren dan verbetert je ‘quantum volume’ aldus Armand. Armand vertelde ons dat elementen uit de omgeving interacteren met de quantum computer op zo’n manier dat de ‘quantum state’ verstoord kan raken. Als dat gebeurt, is er sprake van een error. De cellen raken als het ware gescheiden op hun pad waardoor ze niet meer met elkaar kunnen “praten”. Dat is ook de reden dat de chips van een quantum computer op zeer lage temperatuur wordt gehouden (0,015 Kelvin) om die invloed van buitenaf te beperken, aldus Armand.

Armand vertelt verder over Qiskit, ‘stack’ en de betekenis, middelen en mogelijkheden van het IBM Q Network. Met Qiskit kun je een quantum computer en simulaties via de cloud gebruiken. En met de IBM Q Experience kun je leren hoe je een quantum computer programmeert. Verder wijst Armand ons op vele ‘tutorials die op het internet te vinden zijn, waarmee je meer kunt leren over quantum computing.

Ik vond de bijdrage van Armand wel interessant, maar het sloot niet aan bij mijn behoefte. Ik kan mij voorstellen dat het hebben van een ‘quantum advantage’ interessant kan zijn voor logistieke organisaties die veel data gebruiken zoals PostNL en Schiphol (om zo efficiënt mogelijk te zijn), voor banken en toezichthouders (om financiële constructies door te rekenen) en voor overheden om bijvoorbeeld het klimaat- of fileprobleem aan te pakken. Voor een advocaat zie ik het ‘quantum advantage’ nog niet direct, maar het zou wellicht wel goede reclame zijn. Ik ben nu dan ook volop met Qiskit bezig om uit te zoeken hoe ik aan mijn “quantum advantage” kan werken.