Aftellen naar Q-Day - Deel 1 door @apruden08 Quantumcomputing maakt gebruik van de kwantummechanica, de meest nauwkeurige fysieke theorie die ooit door de wetenschap is ontwikkeld. Sinds fysicus Richard Feynman het concept in 1981 voorstelde, zijn quantumcomputers van theorie naar werkelijkheid gegaan, met meerdere functionerende prototypes die vandaag de dag beschikbaar zijn. Hun realisatie op de kleinste schalen was een theoretische triomf. Deze eerste generatie machines is echter rudimentair in vergelijking met zelfs consument-grade klassieke hardware. Voor quantumcomputers om ooit relevant te zijn, moeten ze opschalen. Hoewel we ze "computers" noemen, verschillen quantumcomputers fundamenteel van de klassieke machine die je gebruikt om dit te lezen. Het begrijpen van de kernprincipes van de kwantummechanica, en in het bijzonder hoe het verschilt van onze klassieke opvattingen over berekeningen, is cruciaal om de potentiële kracht van een quantumcomputer en de uitdagingen van het bouwen ervan te begrijpen. Deze post is de eerste in een serie van vijf delen die een fundamenteel begrip van quantumcomputing zal bieden, en een methodologie voor het schatten van de tijdlijn voor een cryptografisch relevante quantumcomputer. Deze basis zal uiteindelijk een kader bieden om realistisch de tijdlijn voor Q-Day te beoordelen en te begrijpen hoe lang we hebben om ons voor te bereiden. Fundamentele Verschillen Tussen Klassieke en Quantumcomputing Terwijl klassieke computers opereren op relatief eenvoudige logische concepten, vertrouwen quantumcomputers op principes van de kwantummechanica die onze alledaagse intuïties over informatie uitdagen. Concepten zoals superpositie, verstrengeling, interferentie en de no-cloning theorem geven quantumcomputers radicaal verschillende eigenschappen in vergelijking met klassieke computers en dus, verschillende mogelijkheden en beperkingen. Hier zijn enkele belangrijke facetten van de kwantummechanica die inherent een quantumcomputer definiëren: Superpositie - In de kwantummechanica bezetten deeltjes geen definitieve toestanden zoals klassieke bits. In plaats daarvan bestaan ze in een superpositie, of een lineaire combinatie van mogelijke toestanden, beschreven door een golffunctie. Deze golffunctie encodeert alle mogelijke toestanden van het systeem dat het beschrijft. Concreet, terwijl een klassieke bit definitief 0 of 1 vertegenwoordigt, kan een qubit in een superpositie van beide tegelijkertijd zijn. De uitkomst die je krijgt bij meting hangt af van een waarschijnlijkheidsverdeling die is afgeleid van de golffunctie. Met andere woorden, superpositie stelt een qubit in staat om een veel rijkere ruimte van toestanden te coderen dan een klassieke bit, wat quantumcomputing zijn exponentieel potentieel geeft. Dit punt is cruciaal voor het begrijpen van een van de belangrijkste uitdagingen bij het bouwen van een quantumcomputer. In klassieke computing is meting passief, in die zin dat het lezen van geheugen het niet verandert. Maar in de kwantummechanica valt de handeling van het meten van een systeem een superpositie samen in een definitieve toestand. Om een betekenisvol voordeel te behalen uit een quantumcomputer, moet die superpositie zorgvuldig worden bewaard tot het juiste moment. Verstrengeling - In de kwantummechanica kunnen deeltjes verstrengeld zijn, wat betekent dat hun toestanden op een zodanige manier met elkaar verbonden zijn dat ze als een enkel systeem moeten worden beschreven. Zelfs wanneer ze door grote afstanden zijn gescheiden, is de meetuitkomst van het ene deeltje gecorreleerd met (of zelfs bepaald door) de toestand van het andere. Met andere woorden, verstrengeling is een speciale soort superpositie die zich over meerdere deeltjes uitstrekt. Het is een van de belangrijkste kenmerken die quantumcomputers in staat stelt om exponentieel op te schalen, maar ook een van de fragielste om in de tijd en/of afstand te behouden. Interferentie – Een van de belangrijkste verschillen tussen kwantum- en klassieke waarschijnlijkheden ligt in het concept van interferentie. In klassieke systemen tellen waarschijnlijkheden eenvoudig op (bijvoorbeeld, het flippen van twee munten geeft een kans van 25% voor elke uitkomst). Maar in de kwantummechanica kunnen amplitudes (de componenten van de golffunctie) met elkaar interfereren voordat ze worden gemeten. Deze amplitudes kunnen elkaar versterken (constructieve interferentie) of elkaar opheffen (destructieve interferentie), afhankelijk van hun relatieve fasen. Quantumcomputers kunnen dit fenomeen benutten om een berekening naar de juiste antwoorden te "sturen". In plaats van gewoon alle paden parallel te verkennen, is een quantumalgoritme zo ontworpen dat verkeerde antwoorden destructief interfereren en elkaar opheffen, terwijl wenselijke paden die naar de juiste antwoorden leiden constructief interfereren en de uiteindelijke uitkomst domineren. Zonder deze mogelijkheid om correcte uitkomsten te versterken en onjuiste te onderdrukken, zou quantumcomputing geen voordeel bieden ten opzichte van klassiek gerandomiseerde benaderingen. No-Cloning Theorem - Omdat uitlezing een directe impact heeft op het systeem, in die zin dat het superposities in definitieve toestanden samenvoegt, is het onmogelijk om kwantumtoestanden te "kopiëren". Dit is de no-cloning theorem. ...