Hoe werkt een Quantum computer

Terug

Met deze site ga ik proberen uitteleggen hoe een Quantum computer werkt, met de nadruk op proberen. Heb heel wat opzoekings werk gedaan en veel over gelezen en dat ga ik nu verder vertellen.

Een quantumcomputer werkt met qubits die dankzij superpositie én 0 én 1 tegelijk kunnen zijn (in plaats van alleen 0 of 1 zoals een klassieke bit) en dankzij verstrengeling verbonden zijn, waardoor ze als één systeem werken. Dit stelt een kwantumcomputers in staat om enorm veel berekeningen parallel uit te voeren, als het ware alle routes tegelijk in een doolhof verkennen. Bij optellen of vermenigvuldigen worden complexe kwantumalgoritmen (zoals Shor’s of Grover’s) gebruikt die deze superpositie en verstrengeling exploiteren om waarschijnlijkheden te manipuleren, zodat de gewenste uitkomst, na meting, de hoogste waarschijnlijkheid heeft. 

De Basis: Qubits en Kwantumprincipes

• Bits vs. Qubits: Een gewone computer gebruikt bits (0 of 1). Een qubit kan 0, 1, of een combinatie van 0 én 1 tegelijk zijn (superpositie).
• Superpositie: Dit is alsof een muntstuk niet alleen kop of munt is, maar ook een draaiende toestand daartussenin, totdat je het vangt. Dit maakt parallelle berekeningen mogelijk.
• Verstrengeling (Entanglement): Twee verstrengelde qubits zijn zo verbonden dat als je de ene meet, je direct de staat van de andere weet, hoe ver ze ook uit elkaar zijn.
• Interferentie: Kwantumtoestanden (golven) kunnen elkaar versterken of uitdoven, net als golven in water, om ongewenste oplossingen te laten verdwijnen en gewenste oplossingen te versterken. 

Hoe Telt of Vermenigvuldigt een Quantumcomputer?

1. Invoer: De getallen worden omgezet naar een reeks qubits in superpositie. Dit betekent dat alle mogelijke uitkomsten (bij 2 bits 00, 01, 10, 11) tegelijkertijd worden weergegeven.
2. Bewerking (Kwantumalgoritme): Er worden kwantumpoorten (zoals logische poorten in een klassieke computer, maar dan kwantumversies) toegepast. Deze manipuleren de qubits en benutten verstrengeling en interferentie om de waarschijnlijkheden van de verschillende mogelijke uitkomsten te veranderen.
3. Manipulatie: Het doel is om alle ongewenste uitkomsten uit te doven (interferentie) en de gewenste uitkomst te laten ‘winnen’ door zijn waarschijnlijkheid te verhogen.
4. Meten: Aan het einde van de berekening meet je de qubits. Door de meting “collabeert” de superpositie en “kiest” de qubit een definitieve waarde (0 of 1). Omdat je de waarschijnlijkheden hebt gemanipuleerd, is de kans groot dat je het juiste antwoord meet. 

Vergelijking: Doolhof

• Klassiek: Probeert elke gang in een doolhof één voor één tot de uitgang is gevonden.
• Quantum: Verkent dankzij superpositie alle gangen tegelijk. Door interferentie worden verkeerde paden verzwakt en het juiste pad versterkt, waardoor je veel sneller de uitgang vindt. 
• Kortom, het telt niet letterlijk op zoals een rekenmachine, maar verkent alle rekenkundige paden tegelijk en ‘filtert’ het juiste antwoord eruit met behulp van kwantummechanica, waardoor het voor specifieke, complexe problemen exponentieel sneller kan zijn dan klassieke computers. 

Vergelijking; knikkerbaan:

• Je gooit bovenaan een knikker erin
• De baan heeft bochten, splitsingen en hellingen
• Onderaan komt de knikker automatisch bij één uitgang uit
• Je hoeft niet te rekenen waar hij uitkomt
• De vorm van de baan bepaalt het resultaat
• De rekenregels zitten niet in de qubits
• Ze zitten in de vorm van de knikkerbaan

We gaan eens kijken hoe de kwantum computer een praktisch probleem op lost Vierkantwortel van 25

Het probleem: √25
Voor ons is het antwoord natuurlijk 5.
Maar we doen alsof we dat niet weten.

De vraag is:
Hoe zou een quantumcomputer dit “vinden”?

Stap 1 – Belangrijk vooraf (eerlijkheid)
Een quantumcomputer wordt hier niet voor gebruikt.
Een gewone computer is hier vele miljoenen keren beter in. Maar als denkoefening is dit voorbeeld uitstekend.

Stap 2 – Wat betekent “vierkantswortel vinden” eigenlijk?
De vraag √25 betekent:
Zoek een getal waarvan het kwadraat 25 is
Dus we zoeken een getal x waarvoor geldt:
X × X = 25
Dit is geen antwoord, dit is een regel

Stap 3 – We bouwen geen antwoord, we bouwen een regel
In plaats van: “x = 5”
Bouwen we een systeem dat zegt:
– Als X × X niet 25 is → niet goed
– Als X × X wel 25 is → goed
Dit is alles wat we vastleggen.

Stap 4 – Vergelijking met een fysiek systeem (heel concreet)
Stel je een vallei met heuvels voor.
– Elk mogelijk getal X ligt op een andere plek in het landschap
– De hoogte = hoe fout X × X is vergeleken met 25
Bijvoorbeeld:
– X = 4 → 4×4 = 16 → hoog (ver fout)
– X = 6 → 6×6 = 36 → hoog
– X = 5 → 5×5 = 25 → laagste punt
Je kent het laagste punt niet vooraf
Je kent alleen de regel: lager = beter

Stap 5 – Wat doet de quantumcomputer dan?
1 Hij zet alle mogelijke x-waarden tegelijk “aan”
2 Hij laat ze allemaal tegelijk “rollen” in dat landschap
3 Alles wat niet klopt blijft wiebelig
4 Alleen x = 5 ligt echt stabiel
5 Je kijkt → je ziet 5
Niet omdat hij wist dat het 5 was
Maar omdat alle andere waarden niet stabiel zijn

Stap 6 – Waar zitten nu de “rekenregels”?
Je vroeg dit expliciet, dus heel precies:
De regel: X × X = 25 zit:
In hoe het landschap is gemaakt
Niet als een antwoord
Niet als een stap-voor-stap berekening
Net zoals:
– Een weegschaal de regel “zwaarder → naar beneden” bevat
– Zonder te weten wat zwaarder is

Stap 7 – Belangrijke nuance (geen verkooppraatje)
Voor √25:
– Het landschap is simpel
– Er is maar één stabiel punt
– Klassieke computers winnen hier altijd
Quantum wordt pas interessant als:
– Het landschap heel ingewikkeld is
– Met miljoenen lokale “valkuilen”
– Waar klassieke computers vastlopen

Stap 8 – Cruciale klik (dit is het moment)
De quantumcomputer zoekt niet
Hij probeert niets uit
Hij valt gewoon vanzelf in het juiste antwoord
Zoals:
Water dat zijn laagste punt vindt
Een veer die ontspant
Een magneet die zich uitlijnt

Hier zijn nog enkele filmpjes over hoe werkt een kwantum Computer (in het Duits)
En ook een link naar een IBM website waar je kwantum programma kun maken en uittesten. En een filmpje (Duits) met de uitleg.

Samenvatting in één zin
Een quantumcomputer krijgt geen antwoord, maar een probleem dat zo is gebouwd dat alleen het juiste antwoord kan blijven bestaan.

Indien je het nog niet snapt geen probleem, een uitspraak van Richard Feynman
>>> “Als je denkt dat je de kwantummechanica snapt, snap je de kwantummechanica niet.” <<<
Ga naar de volgende Pagina een chat met ChatGPT over werking Kwantumcomputer Misschien lukt het daar.

Terug Terug naar huis