Hoe werken kwantumcomputers? - Eenvoudig uitgelegd
Tegenwoordig werken wetenschappers continu aan kwantumcomputers. IBM lanceerde onlangs zijn eerste kwantumcomputer. We leggen uit hoe deze hier werken.
Quantumcomputers: dat is wat qubits wordt genoemd
Zogenaamde qubits worden in een kwantumcomputer gebruikt.
- Normale bits op de computer kunnen slechts twee verschillende waarden aannemen: 0 en 1, of "aan" en "uit". Een qubit kan zich echter in een tussenliggende toestand van nul bevinden en gedurende een bepaalde periode, de zogenaamde coherentietijd.
- In deze toestand spreken wetenschappers van een superpositie . Via een meting verandert de qubit vervolgens in een van de twee duidelijk gedefinieerde toestanden, zodat het meetresultaat in een klassiek bit kan worden opgeslagen. In technische termen wordt het verlies van superpositie decoherentie genoemd .
- In het laboratorium worden dergelijke qubits gemaakt van ionen of supergeleidende lussen, zogenaamde SQUID's .
- Bij het werken met ionen komt een niet-opgewonden ion overeen met toestand 0 en een opgewonden ion met toestand 1. Van een atoom met de laagst mogelijke energie wordt gezegd dat het niet wordt opgewonden. Als je echter energie aan een atoom toevoegt, is het opgewonden omdat externe elektronen hogere energieniveaus bereiken. De ionen kunnen worden opgewonden met een laser.
Quantumregisters - dat moet je weten
Er zijn verschillende qubits nodig om rekenkundige bewerkingen op te lossen. Men spreekt van een zogenaamd kwantumregister. De informatie wordt vervolgens gedistribueerd naar alle qubits van een register.
- Een dergelijk kwantumregister bestaat meestal uit 14 ionen die worden opgeslagen langs een as op een afstand van enkele micrometers. Het is belangrijk dat deze qubits gemakkelijk te manipuleren zijn, maar ook immuun zijn voor interferentie.
- Dit betekent dat de qubits zo lang mogelijk in hun respectievelijke toestanden moeten blijven totdat de rekenkundige bewerking is uitgevoerd. Decoherentie, d.w.z. terugvallen in een klassieke toestand, moet zo lang mogelijk worden uitgesteld.
- Logische operatoren worden gebruikt om de toestanden te manipuleren, die al in de informatica worden gebruikt. In kwantumcomputers worden deze operatoren kwantumpoorten genoemd. Deze zijn bepalend voor de duur van de bestraling en voor de golflengte van het licht.
- De eenvoudigste bewerking is ontkenning, NIET genoemd . De status van een qubit wordt eenvoudig omgedraaid of tenietgedaan. In het binaire systeem zou 0 1 worden en vice versa. Dit flippen gebeurt heel snel en heel vaak achter elkaar en volgt het algoritme van het programma.
- Om de begintoestand van een kwantumrooster te bepalen, wordt het bestraald met laserpulsen. De lengte van de bestraling kan de waarschijnlijkheid bepalen waarmee een atoom zich in de aangeslagen toestand bevindt.
- Na ongeveer tien microseconden bestraling bevindt een ion dat aanvankelijk niet wordt geëxciteerd zich in de geëxciteerde toestand. Als dit atoom echter slechts half zo lang wordt bestraald, bevindt het zich in die tussenliggende toestand, omdat het 50 procent meer kans heeft zich in de grondtoestand te bevinden en 50 procent meer kans om in de geëxciteerde toestand te zijn.
- Om het resultaat te lezen na het uitvoeren van het algoritme, wordt een andere laserpuls met een andere golflengte op de ionen afgevuurd. Fluorescentie geeft aan of ze opgewonden zijn of niet. De computer kan vervolgens de juiste waarden bepalen.
Quantumcomputers: de nieuwste stand van zaken
Op de elektronicabeurs in Las Vegas presenteerde IBM dit jaar zijn eerste marktklare kwantumcomputer.
- In vergelijking met eerdere modellen berekent de IBM Q Systems One al met 20 qubits, wat een maatstaf is voor een correct functionerende quantumcomputer. Volgens IBM is het erin geslaagd om 20 qubit in de voorbereide staat te houden gedurende 75 microseconden.
- Een kwantumcomputer met 50 qubits moet elke klassieke supercomputer in zijn zak kunnen stoppen.
- De IBM Q Systems One - een glazen doos met een lengte en breedte van twee en een halve meter mag niet te koop worden aangeboden. In plaats daarvan hebben geselecteerde gebruikers toegang vanuit de cloud en kunnen ze berekeningen uitvoeren.
Van een kwantumcomputer tot een ponskaart: zo zag de allereerste computer eruit
In de volgende praktische tip laten we u zien hoe u binaire en hexadecimale getallen correct kunt omzetten.