In plaats van quantummechanica gebruik ik zelf liever de term quantumfysica, omdat het de fysica is die het mechanisme verklaart van hoe alles op de allerkleinste schaal werkt. Het is de manier waarop we de aard van de deeltjes waaruit materie bestaat en de krachten waarmee ze interageren kunnen beschrijven. Quantummechanica is de fundamentele theorie, terwijl quantumfysica de praktische toepassing ervan is. Beide termen worden in de praktijk nogal eens door elkaar gebruikt, echter natuurwetenschappers hebben een sterke voorkeur voor de term quantummechanica…..okey ik ben geen natuurwetenschapper….

De Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman zei ooit: "Ik durf te stellen dat niemand de quantummechanica écht begrijpt. Als je denkt dat je het begrijpt, dan heb je het niet begrepen." Deze uitspraak intrigeert me! 

• Quantumfysica vormt de basis voor hoe atomen werken. Het beschrijft de eigenschappen en het gedrag van materie en energie op atomaire en subatomaire schaal..

Annalen der Physik

Een eerste aanzet tot de ontwikkeling van de quantumtheorie werd gegeven door Max Planck in het jaar 1900. Hij ontwikkelde en publiceerde zijn bevindingen in het toonaangevende natuurkundetijdschrift Annalen der Physik (PDF)

Het tijdschrift staat bekend om zijn historische publicaties van onder meer Einstein en Planck en behandelt hedendaagse onderzoeksgebieden zoals quantumfysica, fotonica en zwaartekracht. 

Planck ontdekte dat de energie van elektromagnetische golven (waar bijvoorbeeld het zichtbare licht een vorm van is) niet continu is, maar discreet. Dit betekent dat die energie niet elke willekeurige waarde kan aannemen, zoals de uurwijzer op je horloge, maar dat ze zich stapsgewijs gedraagt, zoals de meeste secondewijzers: ze is altijd een veelvoud van een vaste hoeveelheid. Deze vaste hoeveelheid energie in pakketjes noemde Planck ‘quanta’ naar het Latijnse woord voor ‘hoeveel’. Planck gaf ook aan hoe groot die pakketjes precies waren: voor licht met een bepaalde golflengte λ, en een bijbehorende frequentie ν, was de hoeveelheid energie (E) in één pakketje gelijk aan E = h ν. In woorden: de energie van één pakketje kon eenvoudig berekend worden door de frequentie met een bepaald getal h te vermenigvuldigen. Die verhoudingsfactor, h, was een nieuwe, door Planck voorspelde natuurconstante (zie verderop).

Albert Einstein bouwde hierop voort en stelde dat quanta als deeltjes kunnen worden gezien, die hij fotonen noemde. Bijna twintig jaar later ontdekte Louis de Broglie (uitgesproken als de Bruie) ook dat deeltjes soms golfeigenschappen vertonen. Er is nu eenmaal een constante aanvulling en verbetering van onze kennis over microstructuren op de allerkleinste schaal in relatie tot het macroniveau: quantum-versus-klassiek.

Verder beschreef ik het foto-elektrisch effect, de werking van fotosynthese en de quantumprocessen in biologische systemen. Dit is na te lezen in Mechanismen van het quantum. 

Nu wil ik dit onderwerp verder uitwerken door de quantummechanismen spin, superpositie en verstrengeling toe te passen op quantumcomputing.

Wat is een quantumcomputer

Een quantumcomputer bestaat uit diverse onderdelen en apparatuur. In tegenstelling tot een klassieke computer is het geen compacte, enkelvoudige eenheid. Het is juist een ingewikkeld systeem dat gebruikmaakt van kwantumverschijnselen om berekeningen uit te voeren. Deze onderdelen werken samen om qubits te maken en te beheersen, de fundamentele eenheden van quantuminformatie.

Quantumcomputers zijn geen vervanging voor klassieke computers en ook niet per se sneller. Ze blinken alleen uit bij specifieke soorten berekeningen, waarbij kwantumsuperposities computationeel parallelisme mogelijk maken d.w.z. dat ze meerdere taken tegelijk kunnen uitvoeren dankzij meerdere processoren. Processoren zijn chips die verantwoordelijk zijn voor het uitvoeren van instructies en berekeningen, en ze interpreteren en verwerken de instructies van computerprogramma's.

Wat is de afmeting

Dat hangt ervan af - de kern is ongeveer 9 kubieke meter, maar als je de koelapparatuur meetelt, kom je op ongeveer 30 tot 50 kubieke meter uit. Dit omvat een tank met vloeibare stikstof die maandelijks moet worden bijgevuld, een rij gecomprimeerde heliumtanks die ook maandelijks vervangen moeten worden, en compressoren om zoveel mogelijk helium te recyclen. Kwantumprocessors functioneren alleen bij een temperatuur van ongeveer 1,2 graden Kelvin = -271,95°C

Hoe werkt eem quantumcomputer

Eerst even het toetsenbord van de ons vertrouwde computer 

Het toetsenbord en de codering

Elke toets op een toetsenbord wordt vertegenwoordigd door een unieke combinatie van enen en nullen, ook wel een binair getal genoemd. Deze combinatie wordt door de computer vertaald naar de corresponderende letter, cijfer, symbool of opdracht. 

Scancodes:

Wanneer je een toets indrukt, wordt er een signaal naar de computer gestuurd. Dit signaal is een scancode, een uniek binair getal dat de ingedrukte toets identificeert.

Omzetting

Deze signalen worden omgezet in een binaire code (bits) om letters, cijfers of andere tekens weer te geven. Dit kan een ASCII-code of een Unicode-karakter zijn, die de letter, het cijfer of het symbool vertegenwoordigt.

Weergave:

Dit binaire getal wordt daarna omgezet in een teken dat op het scherm verschijnt. Dus, terwijl je op het toetsenbord letters, cijfers en symbolen ziet, zit er 'deep inside' een complexe reeks binaire omzettingen achter de weergave.

Bits en Qubits

Bits: In de klassieke informatica is de fundamentele eenheid van informatie de bit, wat een binair systeem is. Een bit kan zich in een van de volgende twee toestanden bevinden: 0 of 1. Dit eenvoudige binaire systeem vormt de basis van traditioneel computergebruik.

Qubits: Een qubit (quantum bit) is de basiseenheid van informatie in quantumcomputing, vergelijkbaar met de bit in klassieke computers, maar met het vermogen om in superpositie te zijn en zowel 0 als 1 tegelijkertijd te vertegenwoordigen. Dit maakt een quantumcomputer in staat om bepaalde berekeningen veel sneller uit te voeren dan klassieke computers

Superpositie houdt in dat een qubit zich in een toestand kan bevinden die zowel 0 als 1 tegelijkertijd is. Dit wordt mogelijk gemaakt door de principes van de quantumfysica. 

Bits en Qubits

Zowel bits als qubits moeten op een specifieke manier worden samengesteld om effectief te functioneren in computersystemen.

Bron: technische informatie over het samenstellen van bits en qubits

Bits

• Samenstelling: Bits zijn de basis eenheden van digitale informatie en worden meestal gevormd door elektrische signalen in transistors. De samenstelling van bits in een computer gebeurt via:
  • Transistoren: Die schakelen tussen een "aan" (1) en "uit" (0) toestand.
  • Geheugenmodules: Zoals RAM, waar bits worden opgeslagen en gelezen.

Qubits

• Samenstelling: Qubits zijn de basis eenheden van quantuminformatie en worden op verschillende manieren samengesteld, afhankelijk van de technologie, bijvoorbeeld
  • Halfgeleiders, waarvan de geleiding regelbaar is, zoals silicium waar quantum dots, met afmetingen van enkele nanometers, worden gebruikt om de spin van elektronen te manipuleren. Dit gebeurt als volgt: de oriëntatie van een spin (spinprojectie) kan langs een bepaalde as gemanipuleerd worden. Dit wordt voornamelijk gedaan met behulp van magnetische velden of elektromagnetische golven.

Proces van samenstelling

De fysieke structuren voor bits of qubits worden gemaakt met behulp van geavanceerde technologieën zoals lithografie, een methode om patronen op een oppervlak aan te brengen. Meerdere bits of qubits worden daarna verwerkt in een  chip.

Quantumverstrengeling

Een ander belangrijk en uniek kenmerk van quantumbits is verstrengeling, wat betekent dat twee of meerdere quantumbits met elkaar kunnen worden gecorreleerd, zodat de toestand van een qubit afhankelijk is van de toestand van een andere quantumbit. 

• Interactie: Verstrengeling ontstaat wanneer twee of meer deeltjes met elkaar interageren. Tijdens deze interactie worden hun quantumtoestanden met elkaar verbonden. Dit betekent dat de eigenschappen van de deeltjes aan elkaar gerelateerd worden tijdens de verstrengeling  
• Zodra de deeltjes verstrengeld zijn, kunnen ze verder van elkaar verwijderd worden zonder hun verbondenheid te verliezen. De toestand van het ene deeltje beïnvloedt onmiddellijk de toestand van het andere, ongeacht de afstand.
• Als de twee deeltjes van elkaar verwijderd worden met ieder hun eigen spin, is het nog niet duidelijk welke de spin up heeft en welke de spin down. De twee deeltjes zijn dan in superpositie. Enkel bij meting wordt het zeker welke spin het deeltje heeft.

Einstein's bezorgdheid over "spooky action at a distance" komt voort uit zijn diepgewortelde overtuigingen over de natuurkunde en de principes van lokaliteit en determinisme. Dit was te verklaren door de weerstand die Einstein had tegen quantummechanica!

• Lokaliteitsprincipe: Einstein geloofde dat informatie niet sneller dan het licht kon reizen en dat de interacties tussen deeltjes lokaal moesten zijn. Dit maakte de idee van instantane, onmiddellijke invloed tussen verstrengelde deeltjes moeilijk te verzoenen met zijn visie op de natuurkunde.
• Determinisme: Hij was ook een voorstander van een deterministische benadering van de natuurkunde, waarbij de toekomst van een systeem volledig bepaald kan worden door zijn huidige toestand. De probabilistische aard van quantummechanica was voor hem problematisch.

De verstrengelingseigenschap van een qubit maakt het mogelijk om nieuwe algoritmen te ontwikkelen die complexe problemen eenvoudiger kunnen oplossen met behulp van quantumcomputing. Qubits worden gebruikt op basis van quantumsystemen zoals atomen, elektronen en andere deeltjes zoals fotonen, protonen en neutronen.

Bits Qubits and entanglement

Superpositie

In de quantumfysica kunnen deeltjes tegelijkertijd in een superpositie van meerdere toestanden verkeren, totdat er een meting plaatsvindt die dit verandert, wat zometeen in 2 video's zal worden aangetoond en uitgelegd. De afbeelding hierboven toont 'Superpositie' wat betekent dat het deeltje zich in "beide paden kan bevinden" totdat er een meting plaatsvindt. Wanneer een meting wordt uitgevoerd of een deeltje wordt geobserveerd, verliest het zijn golfkarakter. Het golfachtige karakter van het deeltje veroorzaakt een interferentiepatroon, maar zodra het zijn golfkarakter verliest, ontstaat er geen interferentiepatroon meer.

Interferentie

Interferentie treedt op wanneer twee of meer golven samenkomen en hun amplitudes op een bepaalde plaats optellen. Dit kan leiden tot constructieve interferentie, waarbij twee of meer golven elkaar versterken wanneer ze elkaar overlappen. Of het kan leiden tot destructieve interferentie, waarbij twee golven elkaar opheffen, wat resulteert in een vermindering of zelfs volledige uitdoving van de golf.

Double Slit Experiment 

Wanneer een elektron wordt geobserveerd, en het golfkarakter verliest, dan krijgt het elektron een deeltjeskarakter. Hierdoor verliest het de mogelijkheid om te interfereren. Dit komt doordat de observatie het deeltje vastlegt op een specifieke positie, waardoor het geen golfeigenschappen meer heeft.

Golffunctie

De golffunctie is een wiskundige beschrijving van de waarschijnlijkheid om een deeltje op een bepaalde plaats en tijd aan te treffen. Het is geen fysieke golf in de zin van een watergolf, maar eerder een wiskundige functie die de kansverdeling van de eigenschappen van een deeltje beschrijft. 

Het instorten van de golffunctie

Het verlies van het golfkarakter van een elektron betekent quantummechanisch gezien dat "de golffunctie instort". Het "instorten van de golffunctie" is het proces waarbij de golffunctie, die een superpositie van meerdere toestanden beschrijft, overgaat in één enkele toestand na interactie met een meetinstrument of observatie. Wanneer een meting wordt uitgevoerd op een quantumsysteem dat zich vóór de meting in een superpositie van mogelijke uitkomsten bevond, toont het plotseling één specifieke uitkomst. De kansen en waarschijnlijkheden 'storten in'.

Interferentie is het fundamentele principe

Quantumcomputers kunnen meerdere paden tegelijk verkennen, en niet zoals een klassieke computer die paden één voor één doorloopt. Doordat ze gebruik maken van superpositie, waarbij een qubit zich in meerdere staten tegelijkertijd bevindt, kunnen ze meerdere paden tegelijk combineren en voorstellen. Dit is vergelijkbaar met het supersnel vinden van de juiste uitgang in een doolhof

Quantuminterferentie

Interferentie is een cruciaal principe van een quantumcomputer en een van de belangrijkste quantummechanische effecten die quantumcomputers in staat stellen berekeningen uit te voeren die klassieke computers niet kunnen. Quantumcomputers maken gebruik van interferentiepatronen om de juiste uitkomsten (de gewenste paden) te versterken en foutieve paden te onderdrukken. Quantuminterferentie kan worden waargenomen bij zowel fotonen als elektronen.

Quantuminterferentie

• Constructieve Interferentie:
  • Lichte Banden: Wanneer golven elkaar versterken, ontstaat er een constructieve interferentie. Dit gebeurt wanneer de golven in fase zijn, wat resulteert in een hogere waarschijnlijkheid om een detectie te vinden in die gebieden.
  • Kans op Goede Oplossing: Deze lichte banden duiden op een grotere kans dat een foton of elektron op die plekken wordt gedetecteerd, wat je zou kunnen interpreteren als "goede uitkomsten".
• Destructieve Interferentie:
  • Donkere Banden: Wanneer golven elkaar opheffen, ontstaat er destructieve interferentie. Dit gebeurt wanneer de golven uit fase zijn, wat leidt tot een lagere waarschijnlijkheid om een detectie te vinden in die gebieden.
  • Kans op Foute Oplossing: De donkere banden duiden op een lagere kans dat een foton of elektron op die plekken wordt gedetecteerd, wat je zou kunnen beschouwen als "foute uitkomsten".

Quantumalgoritmen

Algoritmen zijn overal om ons heen, van de werking van een zoekmachine tot de manier waarop je een route wilt plannen op je telefoon. In de informatica is een algoritme een reeks instructies die in een specifieke volgorde worden uitgevoerd om een bepaald resultaat te bereiken.

Bij quantumcomputing gebruiken quantum algoritmen de quantum-eigenschappen superpositie en interferentie om problemen veel sneller op te lossen dan klassieke computers. Interferentie, waarbij amplitudes worden versterkt of opgeheven, helpen algoritmen de kans op de juiste oplossing te vergroten, zodat de correcte uitkomst aan het einde van de berekening eenvoudiger te meten is.

Hoe quantuminterferentie werkt

1. Superpositie:
De qubits van een quantumsysteem worden in een superpositie van toestanden geplaatst, wat betekent dat ze in meerdere mogelijkheden tegelijk kunnen bestaan.
2. Waarschijnlijkheidsamplitudes:
Elke toestand in de superpositie heeft een waarschijnlijkheidsamplitude, een complex getal dat de waarschijnlijkheid weergeeft dat die toestand wordt gemeten.
3. Interferentie:
Deze waarschijnlijkheidsamplitudes gedragen zich als golven en interfereren met elkaar:
Constructieve interferentie: Wanneer de amplitudes van gewenste uitkomsten op één lijn liggen, versterken ze elkaar, waardoor hun gecombineerde amplitude toeneemt en daarmee de waarschijnlijkheid om die uitkomst te meten.
Destructieve interferentie: Wanneer amplitudes niet synchroon lopen (bijv. een golftop die op één lijn ligt met een dal), heffen ze elkaar op, waardoor de waarschijnlijkheid om die uitkomsten te meten afneemt of zelfs verdwijnt.
4. Toepassing van algoritmen:
Quantumalgoritmen zijn ontworpen om deze amplitudes te manipuleren. Het algoritme van Grover gebruikt bijvoorbeeld een orakel om het juiste antwoord te 'markeren' door de amplitude om te keren. Vervolgens wordt een diffusie-operator gebruikt om de amplitudes rond het gemiddelde te weerspiegelen, waarbij de amplitude van de juiste oplossing toeneemt door constructieve interferentie en die van andere oplossingen afneemt door destructieve interferentie.

Het veranderen van superposities

Het manipuleren van superposities, oftewel het veranderen van superposities, is een essentiële techniek in zowel quantumcomputing als golfverschijnselen. Deze techniek wordt bereikt door quantumpoorten voor qubits toe te passen en de golffase te veranderen. Het doel hiervan is om verschillende golven op een gecontroleerde manier te combineren om nieuwe patronen te creëren, objecten te verplaatsen of berekeningen uit te voeren.

Er zijn veel verschillende soorten quantumpoorten die essentieel zijn voor quantumcomputers. Deze poorten kunnen worden gezien als een soort "code" of operatie die wordt uitgevoerd op qubits binnen quantumcomputing. 

Quantumprogrammeertalen zijn cruciaal voor het implementeren van quantumalgoritmen en het uitvoeren van bewerkingen op qubits. Ze maken het mogelijk om quantumtoestanden te definiëren op een gestandaardiseerde manier, zodat programmeurs zich kunnen richten op de logica van hun algoritmen.

Ik noem één belangrijke quantumpoort:               

De Hadamard-poort/code

De Hadamard-code wordt gebruikt om interferentiepatronen te creëren, die nodig zijn om bepaalde berekeningen uit te voeren. Door qubits in een superpositie te plaatsen, maakt de Hadamard-code zowel constructieve als destructieve interferentie mogelijk, een fenomeen dat cruciaal is voor de kracht van quantumalgoritmen.

Superpositie en interferentie van licht

Superpositie is het principe dat wanneer twee of meer lichtgolven elkaar ontmoeten, hun amplitudes samensmelten. Interferentie is een direct gevolg van dit principe, waarbij de combinatie van deze golven resulteert in constructieve interferentie, die de amplitude vergroot (waardoor helderder licht ontstaat), of destructieve interferentie, die de amplitude verkleint of tenietdoet (waardoor donkere vlekken ontstaan). De kleuren die te zien zijn op een zeepbel zijn ook het resultaat van interferentie van lichtgolven na reflectie van verschillende oppervlakken.

Wanneer twee of meer lichtgolven tegelijkertijd dezelfde ruimte innemen, voegen hun individuele effecten (verplaatsingen of amplitudes) zich samen om een ​​resulterende golf te produceren.
Analoge:
Stel je rimpelingen in een vijver voor; als er twee kiezels vallen, zullen de resulterende golven zich op bepaalde plaatsen samenvoegen, en deze gecombineerde verstoring is het gevolg van superpositie.
Interferentie
Interferentie is wat er gebeurt nadat de golven superpositie hebben ondergaan:
Constructieve interferentie:
Tracht op wanneer lichtgolven in fase zijn, wat betekent dat hun toppen en dalen op één lijn liggen. De amplitudes worden opgeteld, wat resulteert in een golf met een grotere amplitude (helderder licht).
Destructieve interferentie:
Treedt op wanneer lichtgolven uit fase zijn, wat betekent dat de top van de ene golf in lijn ligt met het dal van de andere. De amplitudes heffen elkaar op, wat resulteert in een golf met een kleinere amplitude of zelfs een amplitude van nul (donkere vlekken).

Het algoritme van Grover

De Indiase wetenschapper Lov Grover ontwikkelde een quantumalgoritme. Dit algoritme gebruikt zowel constructieve interferentie (versterking) als destructieve interferentie (opheffing) om de waarschijnlijkheid van de juiste oplossing te vergroten en onjuiste oplossingen te onderdrukken. 

Quantumcomputers ontmantelen de hooiberg om in recordtijd de speld te vinden.

Stel je voor dat je in een kamer bent met een miljoen lades. In één van die lades zit de sleutel om de deur te openen, maar alle andere zijn leeg. Hoe lang zou het duren om de sleutel te vinden? Met veel geluk vind je de sleutel meteen, maar met pech moet je alle lades openen voordat je de sleutel vindt. Gemiddeld open je ongeveer de helft van de lades, dus na 500.000 pogingen heb je hem waarschijnlijk gevonden, of toch nog steeds niet.....Zo’n situatie, waarin je alleen ongemarkeerde lades hebt zonder extra informatie, wordt in de informatica 'ongestructureerde data' genoemd. Het blijkt dat op de klassieke manier iets vinden in ongestructureerde data ontzettend lastig is.

Door gebruik te maken van de eigenschappen van de quantummechanica kan dit zoekproces versnelt worden. De bijbehorende quantumprocedure wordt het algoritme van Grover genoemd. In de analogie van de in de video 'Quantum maze' getoonde test, verkent een quantumcomputer niet één voor één de paden zoals een klassieke computer. In plaats daarvan wordt quantumsuperpositie gebruikt om alle mogelijke paden tegelijkertijd te verkennen, vergelijkbaar met een golf of een kolonie mieren die samenwerken, waardoor de oplossing veel sneller gevonden kan worden. Deze parallelle verwerkingscapaciteit wordt bereikt door de interactie van qubits, waarbij interfererende golfachtige toestanden onjuiste paden effectief opheffen en tegelijkertijd de juiste oplossing versterken.

Opmerkelijk genoeg vraagt dit veel minder herhalingen dan onze traditionele ladeopener. Bovendien hebben wiskundigen aangetoond dat de prestaties van dit algoritme het maximale zijn dat haalbaar is. Om een dataset te doorzoeken, moeten we deze efficiënt kunnen inlezen in een "quantumgeheugen", wat momenteel helaas nog niet haalbaar is. Maar zodra dit probleem is opgelost, zou patroonherkenning een fascinerend gebied kunnen worden, waarbij kleine patronen in een grote dataset worden gevonden – zoals het matchen van genetische sequenties in DNA.

De volgende video is, net als deze gehele Verdieping, behoorlijk lastig te begrijpen, ook voor mij trouwens.  Maar zal onder de video de informatie proberen te verduidelijken.

Grovers Algorithm

Initialisatie betekent het in de beginstand brengen.

Het plaatsen van alle qubits in een superpositie tijdens de initialisatie is een gebruikelijke eerste stap in een quantumalgoritme, waarbij elke qubit een combinatie van |0⟩- en |1⟩ aanneemt, wat essentieel is voor quantumparallelisme. Dit wordt bereikt door specifieke quantumbewerkingen uit te voeren, zoals de eerder genoemde Hadamard-poort, die de qubits in een gelijke superpositie brengen, waardoor de computer vele berekeningen tegelijk kan uitvoeren. 

Hoe wordt het geïnitialiseerd?

Om alle qubits in een superpositie te brengen, gebruikt men speciale quantumpoorten. Een veelgebruikte methode is de Hadamard-poort, die elke qubit in een gelijke superpositie van de |0⟩- en |1⟩-toestanden plaatst. Dit is een fundamentele techniek in het begin van quantumcomputatie, dat de quantumprincipes gebruikt om problemen op te lossen.

Het proces in een quantumalgoritme.

1. Initialisatie in superpositie: Alle qubits worden eerst in een gelijke superpositie gebracht met behulp van quantumpoorten. Bijvoorbeeld, de qubit |0⟩ wordt een gelijke superpositie van |0⟩ én |1⟩.  

2. Quantumverwerking: De quantumcomputer voert vervolgens berekeningen uit op deze qubits. Door de superpositie kunnen alle mogelijke inputs en berekeningen tegelijkertijd worden verwerkt. 

3. Meten en ineenstorten: Aan het einde van de berekening worden de qubits gemeten. Wanneer een qubit wordt gemeten, stort de superpositie ineen tot één van de twee klassieke toestanden (0 of 1), en de kans dat een bepaalde uitkomst wordt verkregen, hangt af van de amplitudes van de superpositie. 

Faseverschuiving

Doel van de Faseverschuiving: De faseverschuiving heeft als doel om de amplitude van de juiste oplossing te markeren, zodat deze later kan worden versterkt door interferentie. Wanneer de qubits door de orakelpoort gaan, zijn ze in een superpositie van mogelijke oplossingen.

Toepassing van de Faseverschuiving: De orakelpoort markeert de juiste oplossing ∣x⟩|, door de fase van die specifieke toestand om te keren: ∣x⟩→ −∣x⟩. Voor alle andere toestanden blijft de fase ongewijzigd: ∣0⟩→∣0⟩

Effect van de Faseverschuiving: Deze omkering van de fase betekent dat de amplitude van de juiste oplossing verandert. Als je daarna de qubits opnieuw meet, zal de door de orakelpoort gemarkeerde toestand met een hogere waarschijnlijkheid verschijnen, omdat de interferentiepatronen deze toestand versterken.

Interferentie: De faseverschuiving is essentieel voor het creëren van constructieve en destructieve interferentie. De gemarkeerde toestand zal door de Grover-diffusiepoort verder worden versterkt, terwijl de andere toestanden worden verlaagd.

• De Grover-diffusiepoort, of ook wel diffusieoperator genoemd, is een quantumbewerking in Grover's algoritme die de amplitude van de gewenste gemarkeerde toestand versterkt en tegelijkertijd de amplitudes van andere toestanden verlaagt, waardoor de quantumtoestand na een set instructies van het orakel dichter bij de doeloplossing komt

Een faseverschuiving, oftewel een faseverschil tussen golven, is essentieel voor het creëren van zowel constructieve als destructieve interferentie.

Quantum orakel

Het Grover-algoritme gebruikt een zogeheten 'orakel', dat een quantumlogische code is. Het orakel beantwoordt de vraag of een specifieke invoer "goed" of "fout" is, en gebruikt hierbij de principes van de quantummechanica, zoals superpositie en verstrengeling, om veel mogelijke antwoorden tegelijk te verwerken. Het is een cruciaal hulpmiddel in quantumalgoritmen, zoals het algoritme van Grover, om specifieke problemen efficiënter op te lossen dan klassieke computers dat kunnen.

Het is een specifieke quantumhardware die invoer verwerkt en uitvoer genereert op basis van een vooraf bepaalde regel. Het is ontworpen om een faseverschuiving toe te passen op de qubit die overeenkomt met de juiste invoer. Deze faseverschuiving maakt het orakel effectief in het algoritme en is een krachtige techniek die helpt de juiste oplossing in de superpositie te markeren.

Bron video: QuantumQool en zie ook What is a quantum oracle?

Insight into BLACK BOX in Quantum Computing

Quantum black boxes dienen als orakels of abstracte tools binnen quantumalgoritmen, waardoor gebruikers specifieke taken kunnen uitvoeren, zoals het evalueren van een functie of het voorbereiden van een quantumtoestand, zonder dat ze zelf complexe quantumcircuits hoeven te bouwen. Dit concept vereenvoudigt het gebruik van quantumcomputers en vergemakkelijkt de ontwikkeling van quantumalgoritmen door een hoogwaardige interface te bieden voor complexe quantumbewerkingen.

Snelheid quantumcomputer

Je hoort vaak dat quantumcomputers berekeningen in een fractie van de tijd kunnen uitvoeren, terwijl klassieke computers daar miljarden jaren over zouden doen. Dit is natuurlijk flink overdreven. Voor specifieke problemen en taken zijn sommige quantumcomputers echter wél miljarden keren sneller dan klassieke computers en duizenden keren sneller dan de krachtigste supercomputers.

De superieure rekenkracht

De superieure rekenkracht van een quantumcomputer kan oplossingen bieden voor problemen waar onze samenleving op dit moment tegenaan loopt. Enkele voorbeelden zijn het tijdig voorspellen van extreem weer (en de gevolgen ervan zoals hoogwater), het snel ontwikkelen van nieuwe medicatie (tijdens pandemieën), het supersnel trainen van AI-modellen en het reduceren van de energiebehoefte van datacenter

Een taak of berekening wordt niet direct ingevoerd in een quantumcomputer, omdat een quantumcomputer eerst een quantumalgoritme en inputdata nodig heeft om te kunnen rekenen. Dit algoritme transformeert de inputdata naar een vorm die de quantumcomputer kan verwerken met zijn unieke eigenschappen, zoals superpositie en verstrengeling, om zo een antwoord te verkrijgen

Hoe wordt een berekening of een taak  ingevoerd

Een taak of een berekening wordt eerst vertaald naar een quantumalgoritme. Dit algoritme beschrijft de specifieke operaties die op de qubits moeten worden uitgevoerd om de gewenste uitkomst te krijgen. Quantumalgoritmen worden dan vertaald in een reeks elektromagnetische pulsen, vaak microgolven, die de quantumprocessor aanstuurt om manipulaties uit te voeren op de qubits. Vervolgens wordt de gewenste quantumberekening uitgevoerd.

1. Quantumalgoritmen:

Dit zijn reeksen bewerkingen die ontworpen zijn om op een quantumcomputer te draaien, waarbij gebruik wordt gemaakt van principes zoals superpositie en verstrengeling om problemen op te lossen die onhandelbaar zijn voor klassieke computers.

2. Vertaling naar pulsen: Elk quantumalgoritme wordt opgesplitst in een reeks logische quantumpoorten. Deze poorten worden vervolgens vertaald naar precieze fysieke besturingssignalen.
3. Microgolfbesturing: Voor veel soorten qubits, zoals supergeleidende qubits, bestaan ​​deze besturingssignalen uit microgolf- of radiofrequentiepulsen.
4. Qubitmanipulatie: Deze pulsen worden naar de quantumprocessor gestuurd, waar ze interacteren met de qubits. De specifieke frequentie, duur en fase van de microgolfpulsen worden zorgvuldig gekozen om de quantumtoestand van de qubit om te draaien, verstrengeling tussen qubits te induceren of andere noodzakelijke manipulaties uit te voeren.
5. Berekeningen uitvoeren: Door een reeks van deze gecontroleerde microgolfpulsen toe te passen, kan de quantumcomputer de door het quantumalgoritme gedefinieerde stappen uitvoeren, berekeningen uitvoeren en uiteindelijk een resultaat produceren door de eindtoestand van de qubits te meten.

's Werelds kleinste quantumcomputer

Er zijn grote stappen gezet in het uitvoeren van berekeningen op quantumcomputers. Er is een nieuwe, compacte en gebruiksvriendelijke machine ontwikkeld die gebruik maakt van een enkel foton, een lichtdeeltje, in een optische vezel.

• Een optische vezel (ook bekend als glasvezel) is een flexibele, draadachtige structuur gemaakt van glas of plastic die licht kan transporteren over lange afstanden met minimale verliezen. In quantum computing wordt een optische vezel ingezet om fotonen te geleiden en interacties tussen hen mogelijk te maken, zodat de quantuminformatie die ze bevatten verwerkt en overgedragen kan worden.

Deze vooruitgang, beschreven in een studie uit 2024, brengt ons dichterbij kleinere en beter toegankelijke quantumcomputers, hoewel de technologie zich nog in een vroeg stadium bevindt. Het ontwikkelen van compactere en betaalbaardere modellen maakt deze technologie steeds toegankelijker voor onderzoekers en ontwikkelaars. Toch zijn er nog geen functionele, grootschalige quantumcomputers beschikbaar. Wetenschappers werken aan manieren om fotonen vast te houden en te beheersen met geavanceerde technieken, om zo hoogwaardige qubits te maken en te gebruiken voor berekeningen.

Het concept van superpositie en het aantal mogelijke toestanden geldt ook voor fotonen, net als bij qubits. Bijvoorbeeld, een foton (is ook een lichtdeeltje) kan tegelijkertijd horizontaal en verticaal gepolariseerd zijn, met een bepaalde waarschijnlijkheid voor elk. Een systeem van N fotonen, elk met een superpositie van twee toestanden 0 en 1 kan zich in 2^N verschillende gecombineerde toestanden bevinden. Dit betekent dat 1 foton twee toestanden kan hebben, 10 fotonen 2^10 toestanden, en met 300 fotonen zijn er maar liefst 2^300 mogelijke combinaties van de toestanden [0[ en [1], wat de enorme rekenkracht van fotonische- en quantumcomputers verklaart. 

Met behulp van qubits maken ook de fotonische computers gebruik van quantumverstrengeling, waardoor de qubits toestanden van 0, 1 en elke andere van de talloze variaties van deze twee toestanden kunnen vertegenwoordigen. Maar quantumverstrengeling is lastig om mee te werken, omdat quantumsignalen die worden gemeten hun quantumeigenschappen verliezen.

Quantuminternet

De ontwikkeling van het quantuminternet is hiermee begonnen en fotonische technologieën spelen daar een cruciale rol in. 

• Fotonische Communicatie: Fotonen zijn ideaal voor het verzenden van informatie over lange afstanden vanwege hun snelheid en de mogelijkheid om quantumverstrengeling te gebruiken. Dit maakt ze geschikt voor quantum communicatiesystemen.
• Quantumverstrengeling: Het gebruik van verstrengelde fotonen maakt het mogelijk om informatie op een veilige manier over te dragen, wat een fundamenteel aspect is van quantuminternet. Het stelt gebruikers in staat om informatie instantaan te delen zonder dat deze kan worden afgeluisterd.
• Toepassingen: Het quantuminternet kan toepassingen hebben in veilige communicatie, gedistribueerde quantumcomputing en het delen van quantumkracht over netwerken. Dit opent de deur naar nieuwe mogelijkheden voor cryptografie en gegevensverwerking.

De ontwikkeling van quantuminternet is dus een interessante onderzoeksrichting, met het potentieel om de manier waarop we communiceren en informatie verwerken ingrijpend te veranderen.