Quantum Computing Research @ UM
"Maak gewoon de berekeningen" is een veelgehoorde uitspraak in de wetenschap van quantum computing, de ontwikkeling van software voor kwantumcomputers. Alles in deze wetenschap is nieuw en de beste weg vooruit is inderdaad gewoon de wiskundesommen maken. Bij de Universiteit Maastricht probeert een multidisciplinaire groep quantum computing wetenschappers meer te doen dan alleen maar rekenen. David Mestel en Jérémie Gobeil vertellen over de onopgeloste problemen binnen quantum computing waaraan ze werken.
David Mestel (Department of Advanced Computing Sciences) noemt het onderzoeksgebied van quantum computing "een reusachtige wereld van onwetendheid". David werkt aan de kwantuminformatietheorie, een tak van de wetenschap die zich bezighoudt met de informatie die verborgen zit in kwantummechanische systemen, zoals een kwantumcomputer. Hij vervolgt: “Bij klassieke informatica kun je keer op keer bestaande algoritmes verbeteren, maar in quantum computing moeten we eerst algoritmes ontdekken en tot nu toe is dat pas een paar keer gelukt. Het belangrijkste doel van ons werk is dus algoritmes zoeken en de paar bestaande verbeteren.”
Vooruitgang
Natuurkundige Jérémie Gobeil (Gravity Waves & Fundamental Physics) onderzoekt de mogelijkheden van quantum computing in de natuurkunde, zoals het onderzoek naar zwaartekrachtgolven met de toekomstige Einstein Telescoop. “Je zou oplossingen voor klassieke computers ook op een kwantumcomputer kunnen uitvoeren, maar daar schiet je niks mee op. We zoeken naar toepassingen die baat hebben bij de unieke voordelen die een kwantumcomputer zou kunnen bieden. Het onderzoek naar quantum computing begon met eenvoudig proberen en kijken of het werkt. Inmiddels boekten we progressie en ontdekten we een paar toepassingen die een kwantumcomputer beter kan dan een klassieke computer (zie onderaan).”
Surfen op de golven
Berekeningen met qubits hebben de vorm van een kwantumgolf, een wiskundige formule afgeleid uit de kwantummechanica. Als je het resultaat van zo’n golfvergelijking ‘uitleest’ dan stort deze in of in andere woorden, dan wordt je berekening vernietigd. Jérémie: “Op dit moment is het haast onmogelijk om alle informatie in een golfvergelijking uit te lezen. Daarom houden we de berekeningen nu zo eenvoudig mogelijk. We beginnen met een kleine hoeveelheid informatie, voeren de complexe kwantummechanische berekeningen uit en lezen alleen het deel van de resultaten in de golfvergelijking waarin we geïnteresseerd zijn.”
Kwantumcomputers zorgen voor de grootste technische revolutie van deze eeuw, althans dat is de belofte die je vaak over dit nieuwe soort computers hoort. Maar, wat is kwantum en wat zijn dan kwantumcomputers? Wat kun je er mee en wat vooral ook niet? En hoe programmeer je een kwantumcomputer? In een serie van vijf verhalen komen de antwoorden op deze vragen aan bod. De nadruk ligt vooral op de specialiteit van de Universiteit Maastricht: Quantum Computing, het programmeren van kwantumcomputers.
- Wat is Kwantum?
- Wat is Quantum Computing?
- Quantum Computing Research @ UM
- Maastrichts onderwijs over Quantum Computing
- De Quantum Computing Community @ UM
Een van de moeilijkste problemen in quantum computing is het vinden van het antwoord van een quantum computing algoritme. Een belangrijke reden hiervoor is dat qubits en de golfvergelijkingen van nature heel gevoelig zijn voor fouten. Daarom is foutcorrectie een van de belangrijkste onderwerpen binnen quantum computing. David: “Ook klassieke computers werken met foutcorrectie. Je kunt een bit, bijvoorbeeld, drie keer in het computergeheugen schrijven. Als je vervolgens alle drie de kopieën uitleest en één ervan is corrupt, dan vertellen de andere twee je de echte waarden van het bit. In quantum computing is foutcorrectie ontzettend veel moeilijker. We denken dat een quantum computer duizenden qubits nodig heeft voordat deze zelfstandig zijn fouten kan corrigeren.”
Hype Energie
Terwijl het veld van de computerkunde het domein is van informatici, telt quantum computing mensen uit meerdere disciplines, naast computerwetenschappers ook natuur- en wiskundigen. Jérémie legt uit: “Zo lang er geen standaard quantum computer bestaat, zijn wetenschappers uit al deze disciplines nodig om algoritmen te ontdekken en te vertalen naar instructies die een quantum computer kan uitvoeren.” Bij de Faculty of Science and Engineering van de Universiteit Maastricht is het onderzoeksveld van quantum computing erg multidisciplinair, met wetenschappers uit alle relevantie disciplines.
Onderzoek naar quantum computing research is een hot topic, het is relatief makkelijk om er subsidie voor te krijgen, maar moet voor geld en aandacht concurreren met andere hot topics, zoals kunstmatige intelligentie. Jérémie: “Zowel op het gebied van de hardware en de algoritmen, moeten onderzoekers en bedrijven aan de hoge verwachtingen voldoen, anders kan de ‘hype energie’ naar andere onderwerpen verschuiven.” Omdat quantum computing erg afhankelijk is van de vooruitgang in de ontwikkelingen van de hardware, kampen de onderzoekers met veel onzekerheden. Het vasthouden van de ‘hype energie’ is daarom één van hun grootste uitdagingen.
Doorbraken
Enkele van de grootste, meestal nog theoretische, doorbraken op het gebied van quantum computing:
Quantum Foutcorrectie
Pas nadat duidelijk werd dat je fouten daadwerkelijk kunt corrigeren, realiseerden onderzoekers zich dat ze een kwantumcomputer echt kunnen bouwen.
Shors algoritme
Shors algoritme kan met duizelingwekkende snelheid getallen in hun priemfactoren ontbinden.
Grovers algoritme
Grovers ongestructureerd zoekalgoritme kan een antwoord tussen grote hoeveelheden mogelijkheden vinden. Een klassieke computer probeert één voor één alle mogelijkheden tot de juiste gevonden is, Grovers algoritme voert deze taak aanzienlijk sneller uit.
Kwantumcryptografie
Je kunt data in een netwerk ongemerkt lezen en manipuleren, behalve als deze verstrengeld is volgens de regel van de kwantummechanica. Zolang zo’n verstrengeling intact is, weet je zeker dat de gegevens veilig de reis van de afzender naar jou maakten. Kwantumcryptografie is inmiddels commercieel verkrijgbaar. Recent beveiligde Zweden de data van verkiezingen met deze techniek.
Lees ook
-
Paul Fehlinger, directeur Beleid, Governance Innovatie & Impact bij Project Liberty Foundation, was van jongs af aan al gefascineerd door de digitale economie. Geboren in Berlijn en opgegroeid in München, begon Pauls zoektocht met een bachelor in Europese Studies aan de Universiteit Maastricht, waar hij de basis legde voor een bloeiende carrière.
-
In een poging om een wereldrecord te verbreken, gaat Golnaz Atefi op pad voor haar interdisciplinaire onderzoek naar Alzheimer- en dementiezorg. Ze skate 1000 kilometer om te praten met mensen met dementie, hun families, onderzoekers en zorgprofessionals. Dit doet ze om mensen te attenderen op het belang van inclusiviteit en om ervoor te zorgen dat zoveel mogelijk mensen gebruik kunnen maken van nieuwe technologische oplossingen.
-
Hoe voeden we de wereld in 2050 op een duurzame en gezonde manier? Welke technieken gebruiken we daarvoor? De Universiteit Maastricht zoekt vanaf 8 oktober naar antwoorden in een nieuwe, duurzame kas op de Brightlands Campus Greenport Venlo.
