De huidige staat van kwantumcomputers

Kwantumcomputers zijn anders

Kwantumcomputers zijn het idee om kwantumfysica te gebruiken om berekeningen uit te voeren, wat verschilt van normale op halfgeleiders gebaseerde computermethoden. In plaats van 0 en 1 te genereren (geen stroom of stroom), gebruikt het ‘kwantumbits’, qubits genoemd, waarbij deeltjesgegevens ofwel 0 EN 1 tegelijk zijn, of 1, of 0.

Vanwege het fundamentele verschil in de manier van calculus is quantum computing niet zozeer een alternatief voor ‘normaal’ computergebruik, maar eerder een aanvulling.

Standaard computergebruik werkt lineair en heeft moeite met zeer complexe berekeningen, zoals klimaatmodellering, cryptografie of de 3D-configuratie van complexe moleculen zoals eiwitten. En dit is precies het soort berekeningen waarin quantum computing naar verwachting zal uitblinken.

Hoewel onze laptops en smartphones dus waarschijnlijk nooit kwantumcomputers zullen worden, kunnen ze een revolutie teweegbrengen in het wetenschappelijk onderzoek.

Kwantumcomputers zijn moeilijk

Met de belofte dat kwantumsupercomputers duizend keer beter zullen presteren dan de bestaande, is het dus geen verrassing dat er veel onderzoek is gedaan om ze werkelijkheid te maken.

Maar het probleem is dat het creëren van zelfs maar één qubit technisch erg moeilijk is. De eerste moeilijkheid is dat quantum computing alleen werkt bij ultralage temperaturen, zo’n honderd graden boven het absolute nulpunt. Alleen onder deze omstandigheden veranderen enkele unieke materialen in supergeleiders (materialen zonder elektrische weerstand). Dit is energieverslindend, duur en moeilijk te realiseren.

En dan is het ook complex om de gegevens in een qubit te controleren, manipuleren en ‘lezen’, waarbij meestal ultranauwkeurige lasers, atoommicroscopen en sensoren betrokken zijn. Ten slotte zal elke interferentie de qubit onbruikbaar maken, dus er moet ook een perfect vacuüm worden bereikt.

Terwijl halfgeleiderchips materie manipuleren op een schaal van slechts een paar atomen, probeert quantum computing de materie op deeltjesschaal aan te pakken. Een praktische kwantumcomputer zal met name duizenden qubits nodig hebben om stabiel te blijven en met elkaar te kunnen communiceren.

Kwantumcomputers gaan vooruit

Overschrijding van de drempel van 1,000 Qubit

Een team onder leiding van professor Gerhard Birkl van de “Atomen – Fotonen – Kwanta” onderzoeksgroep bij de afdeling Natuurkunde van TU Darmstadt in Duitsland heeft zojuist de grootste kwantumcomputer tot nu toe gemaakt.

Ze hebben een kwantumcomputer gemaakt met 1,000 individueel regelbare atomaire qubits, waarmee ze een race in het veld hebben gewonnen tegen vele andere wetenschappelijke teams.

Bron: optica

De grens van 1,000 is gedeeltelijk symbolisch, maar ook ongeveer het aantal dat naar verwachting nodig zal zijn voor een zinvolle toepassing van kwantumcomputers. Minder dan dat, ze zijn vooral een wetenschappelijke curiositeit en een veelbelovend idee, maar niet veel meer.

De techniek maakt gebruik van ‘optische pincetten’, dit zijn speciale lasers die de atomen afzonderlijk kunnen manipuleren. Dankzij de vooruitgang in de micro-optica is dit de meest veelbelovende techniek in quantum computing voor een schaalbare methode om veel grotere systemen te bouwen.

Bron: optica

“Aangezien het aantal lensjes per vierkante centimeter gemakkelijk de 100,000 bereikt en MLA-wafels met een oppervlak van enkele 100 vierkante centimeter kunnen worden geproduceerd, hebben ze een enorm potentieel op het gebied van schaalbaarheid, alleen beperkt door het beschikbare laservermogen”

Bron: optica

Door het gebruik van dergelijke optische pincetten te perfectioneren, heeft prof. Birkl aangetoond dat grote kwantumcomputers, met duizenden qubits, kunnen worden ontworpen. Dit zal op zijn beurt het essentiële instrument opleveren dat andere onderzoekers nodig hebben om kwantumberekeningen uit te voeren.

Kwantumsimulators om de natuurkunde op te lossen

Veel problemen waarmee natuurkundigen vandaag de dag worstelen, houden verband met het gedrag van deeltjes op kwantumschaal, of op zijn minst zodra er meer dan dertig deeltjes worden gesimuleerd. Dit is een probleem omdat gewone computersystemen worstelen met het probabilistische gedrag van deeltjes en de kwantumfysica in het algemeen.

Om dit probleem op te lossen zou de ideale situatie zijn om een ​​“kwantumsimulatorWaar qubits het gedrag van kwantumdeeltjes kunnen simuleren. Dit komt omdat qubits zelf de kwantumeigenschappen van gebruiken verstrikking en superpositie, dit zijn de onderdelen die zo moeilijk te simuleren zijn in een normale computer.

Hoewel kwantumsimulators in wezen een speciaal type kwantumcomputer zijn, was het probleem tot nu toe om ze in staat te stellen veel verschillende deeltjes te simuleren, in plaats van dat ze voor elk specifiek natuurkundig vraagstuk een kwantumsimulator op maat moesten ontwerpen.

Natalia Chepiga en haar onderzoeksgroep, assistent-professor bij Technische Universiteit Delft in Nederland, had misschien een oplossing gevonden.

Ze stelt een protocol voor dat een volledig bestuurbare kwantumsimulator in een wetenschappelijke wereld creëert artikel gepubliceerd in Physical Review Letters. Dit werkt door gebruik te maken van twee lasers met verschillende frequenties of kleuren, waardoor een extra dimensie aan de berekening wordt toegevoegd. Theoretisch zou deze methode kunnen worden uitgebreid om meer dan twee dimensies toe te voegen aan de kwantumsimulatorcalculus.

Bron: U delft

Dit type kwantumsimulator zou een grote impuls kunnen zijn voor tal van onderzoeksinspanningen aan de rand van onze huidige kennis, waaronder ultrakoude natuurkunde (inclusief supergeleiders), halfgeleiders, materiaalwetenschappen, telecommunicatie en energietechnologieën (vooral batterijen).

QuDits in plaats van QuBits

De meeste quantum computing-ontwerpen zijn gericht op qubits, waardoor ze gemakkelijker te manipuleren/programmeren zijn en er meer van kunnen worden toegevoegd. Een alternatief is het gebruik van kwantumcijfers of ‘qudits’.

“Een kwantumcomputer met x qubits kan 2^x berekeningen. Een machine met een x aantal qudits, waarbij D het aantal toestanden per qudit vertegenwoordigt, kan echter D uitvoeren^x aantal berekeningen.

Dit betekent dat je dezelfde informatie in minder kwantumdeeltjes kunt coderen als je qudits gebruikt.”

Martin Ringbauer, een kwantumfysicus aan de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk IEEE Spectrum

In eenvoudiger bewoordingen: hoe meer D-dimensies een kwantumcomputersysteem heeft, hoe exponentieel krachtiger het wordt. Naast deze efficiëntere berekening met behulp van qudits in plaats van qubits, wordt verwacht dat ze betrouwbaarder zijn en minder snel rekenfouten veroorzaken dan qubits.

Het is dus groot nieuws dat een team van onderzoekers onder leiding van Andrea Morello op het USNW in Australië heeft gemaakt een 16-dimensionaal, zeer controleerbaar qudit-computersysteem. Met D=16 vergroot elke hoeveelheid qudits die aan het systeem wordt toegevoegd de rekencapaciteit met een macht 16.

Om dit te bereiken gebruikten ze een 123Sb (antimoon) donoratoom, dat met ionen werd geïmplanteerd in een nano-elektronisch apparaat van silicium.

“De gecombineerde Hilbertruimte van het atoom omvat 16 dimensies en is toegankelijk via zowel elektrische als magnetische regelvelden. Andrea Morello"

Dit systeem behaalde opmerkelijke resultaten; met name “toont de nucleaire spin al een poortgetrouwheid van meer dan 99%, ongeacht het aandrijfmechanisme”. Ook het antimoonatoom is een verbetering ten opzichte van het eerder gebruikte 31P (fosfor), omdat antimoon een zwaarder atoom is en gemakkelijker te manipuleren is.

Deze technische en wetenschappelijke prestatie wordt ook verder verbeterd, met name door het gebruik van isotopisch gezuiverd 28Si (silicium), het verwijderen van de resterende 29Si-concentratie en het verbeteren van de betrouwbaarheid van het systeem (coherentietijden en poortgetrouwheid).

Staat van de ontwikkeling van kwantumcomputers

Het vakgebied staat nog in de kinderschoenen en er ontstaan ​​nog steeds hele nieuwe concepten, zoals bruikbare qudits of programmeerbare kwantumsimulators.

Gecombineerd met de vooruitgang bij het creëren van meer dan 1,000 qubit-systemen laat dit zien dat kwantumcomputing de komende decennia waarschijnlijk een zeer belangrijk wetenschappelijk veld zal zijn, met een enorm onbenut potentieel.

Momenteel wordt onderzoek in de materiaalkunde of biochemie gestimuleerd door AI, iets wat we in ons artikel bespraken “Ontwrichtende industrieën die samenkomen rond een kerntechnologie – kunstmatige intelligentie (AI). '

Maar binnenkort, in de komende vijf tot tien jaar, kunnen we praktische resultaten zien van kwantumcomputingberekeningen. De hardware verschuift nu van gedachte-experimenten en laboratoriumdemonstraties naar prototypes van commerciële onderzoekscomputers.

De volgende stap zal het ontwikkelen van software zijn die het potentieel van kwantumcomputing kan maximaliseren – en het beginnen met het produceren van kwantumcomputers op grote schaal om de kosten te verlagen en enige standaardisatie te bieden.

Dus in veel opzichten bevindt quantum computing zich in het stadium waarin de eerste commerciële computermainframes in de jaren vijftig en zestig op de markt kwamen, voordat ze in de daaropvolgende decennia een gangbaar bedrijfs- en onderzoeksinstrument werden.

Kwantumcomputertoepassingen

Hoewel moeilijk volledig te voorspellen, kennen we al een aantal segmenten die enorm zullen profiteren van het steeds breder beschikbaar komen van quantum computing:

• Biochemische modellering: van het bepalen van de 3D-vorm van een eiwit tot genexpressie, de berekening van complexe biologische moleculen tot aan de atomen zou een revolutie teweeg kunnen brengen in het biotechnologisch onderzoek.
• Klimaatmodellering: Klimaatmodellen zijn buitengewoon complex en verleggen de grenzen van wat de huidige supercomputers kunnen doen. Een beter begrip van het klimaat, met een fijnere rekenschaal in het model, zowel geografisch als in de tijd, zou kunnen helpen bij het begrijpen van de risico’s van klimaatverandering.
• Halfgeleiders: Kwantumcomputers kunnen worden gebruikt om normale computerchips een stuk krachtiger te maken. Nu ‘normale’ chips de nanometerschaal bereiken, worden kwantumfenomenen steeds problematischer, en kunnen kwantumcomputers nodig zijn om deze op te lossen.
• Materiële wetenschap: Een beter begrip van de kwantumfysica en de reactie van materialen tot individuele atomen kan nieuwe ontwerpen openen voor materialen die worden gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, batterijen, 3D-printen, productie, enz.
• Geheimschrift: Kwantumcomputers kunnen mogelijk alle huidige cryptografiemethoden overbodig maken. Dit is een ernstig probleem voor militaire, financiële en IT-systemen. Maar tegelijkertijd zou het cryptografie nog veiliger kunnen maken.

Kwantumcomputeraandelen

1. International Business Machines Corporation

International Business Machines Corporation (IBM -1.34%)

International Business Machines Corporation (IBM) was de leidende kracht achter de commercialisering van de eerste mainframecomputer. Het is echter achterop geraakt bij andere technologiegiganten zoals Apple, TSMC en NVIDIA.

Het loopt echter voorop in de ontwikkeling van kwantumcomputers. Het ontwikkelde bijvoorbeeld zijn 127-qubit ‘Eagle’-kwantumcomputer, gevolgd door een 433-qubit-systeem dat bekend staat als ‘Osprey’.

En dit is nu gevolgd door “Condor”, een 1,121 supergeleidende qubit-kwantumprocessor gebaseerd op kruisresonantiepoorttechnologie, samen met “Heron”, een kwantumprocessor aan de uiterste rand van het veld.

Ten slotte bracht IBM in februari 1.0 Qiskit 2024 uit, de populairste SDK voor kwantumcomputers, met verbeteringen in de circuitconstructie, compilatietijden en geheugenverbruik in vergelijking met eerdere releases.

Vooruitkijkend heeft IBM zijn volgende grote doel al aangekondigd, vooruitlopend op het feit dat zijn huidige kwantumchips de momenteel gebruikte infrastructuur 'ontgroeien'. Dit doel staat bekend als 'IBM Quantum System Two'; een modulair systeem dat het potentieel heeft om tot 16,632 qubits te ondersteunen.

De kracht van IBM is vanaf het begin altijd geweest in de ontwikkeling van ultrakrachtige supercomputers, een marktsegment dat overschaduwd wordt door de opkomst van consumentenelektronica en gestandaardiseerde chips. De opkomst van quantum computing is een gelegenheid voor IBM om opnieuw te schitteren en een leider te worden in dit opkomende belangrijke computersegment voor wetenschappelijk onderzoek en de computerbehoeften van grote bedrijven.

2. Microsoft Corporation

Microsoft is al leider op het gebied van ‘normale’ clouddiensten en een pionier in het aanbieden van quantum computing-clouddiensten Azuurblauwe kwantum. Het is heel goed mogelijk dat de meeste kwantumcomputers in de toekomst door onderzoekers “op afstand” zullen worden uitgevoerd, waarbij ze vertrouwen op clouddiensten zoals die van Microsoft, in plaats van directe toegang tot hun eigen kwantumcomputer.

Dit is vooral waarschijnlijk omdat uiteindelijk de meeste quantumcomputertoepassingen zullen worden onderzocht door biochemici, materiaalwetenschapsexperts, klimaatwetenschappers en andere specialisten zonder specifieke achtergrond in quantumcomputers. Het is dus logischer om te vertrouwen op toegewijde professionals die bij bedrijven als IBM, Microsoft of Google werken om het computergedeelte af te handelen dan het inhuren of opleiden van mensen die vreemden in het veld zijn.

De service kan ook bieden “hybrid computing”, waarbij kwantumcomputing wordt gecombineerd met traditionele cloudgebaseerde supercomputerdiensten.

Bron: Microsoft

In plaats van verticale integratie is de benadering van Microsoft op het gebied van kwantumcomputing het tot stand brengen van partnerschappen met leiders in het veld die vrijwel alle technologieën bestrijken die mogelijk zijn om kwantumcomputing te verwezenlijken, zoals IonQ (IONQ), Paskal, kwantum, QCI (QUBT), en Rigetti (RGTI).

Bron: Microsoft

Quantum computing staat niet centraal in de activiteiten van Microsoft, althans voorlopig. Niettemin is het een centrale speler in de sector en zou het een ‘veiligere’ aandelenkeuze kunnen opleveren in plaats van rechtstreeks aandelen te verwerven van zijn kwantumcomputingpartners die openbaar worden verhandeld, zoals QCI of Rigetti.

3. Alphabet Inc.

Google is zeer actief op het gebied van quantum computing, vooral via het Google Quantum AI-lab en de Quantum AI-campus in Santa Barbara.

De kwantumcomputer van Google schreef geschiedenis in 2019 toen Google beweerde ‘kwantumsuprematie’ te hebben bereikt met zijn Sycamore-machine, door in 200 seconden een berekening uit te voeren waar een conventionele supercomputer 10,000 jaar over zou hebben gedaan.

Maar misschien zal de grootste bijdrage van Google op het gebied van software liggen, een activiteit waarbij het een veel betere staat van dienst heeft dan hardware (zoeken, GSuit, Android, enz.). Google's Quantum AI stelt al een softwarepakket beschikbaar dat is ontworpen om wetenschappers te helpen bij het ontwikkelen van kwantumalgoritmen.

Google zou waarschijnlijk een van de bedrijven kunnen zijn die de normen voor kwantumcomputingsoftware en -programmering bepalen, waardoor het een bevoorrechte positie krijgt om te bepalen waar het vakgebied zich in de toekomst zal ontwikkelen.

4. Quantinuum/Honeywell

Quantinuum is het resultaat van de fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum (en zoals gezegd een partner van Microsoft quantum cloud computing).

Quantinuum lijkt zich voorlopig te concentreren op segmenten die minder worden onderzocht door andere kwantumcomputersystemen, met name financiële en supply chain-gerelateerde analyses, via zijn Quantum Monte Carlo Integration (QMCI) -engine, gelanceerd in september 2023.

QMCI is van toepassing op problemen waarvoor geen analytische oplossing bestaat, zoals het prijzen van financiële derivaten of het simuleren van de resultaten van experimenten in de hoogenergetische deeltjesfysica, en belooft computationele vooruitgang in het bedrijfsleven, de energiesector, de supply chain-logistiek en andere sectoren.

Net als bij Microsoft is kwantumcomputing niet het centrale onderdeel van de activiteiten van Honeywell, maar meer gecentreerd rond producten in de lucht- en ruimtevaart, automatisering en speciale chemicaliën en materialen.

Maar aangezien elk afzonderlijk bedrijfssegment baat zou kunnen hebben bij quantum computing, is het niet moeilijk om de business case voor Honeywell in te zien om hierbij betrokken te raken.

Dit maakt Honeywell dus zowel tot een aanbieder van kwantumcomputerdiensten als tot een van de bedrijven die zouden kunnen profiteren van de toepassing van kwantumcomputers op praktijkvoorbeelden, iets wat de integratie van Quantinuum in de groep zou moeten helpen bevorderen in een sneller tempo dan de industriële ontwikkeling ervan. concurrenten.

5. Intel

Intel is een belangrijke chipproducent en lijkt deze kracht te willen benutten in de quantum computing-arena.

Het is onlangs uitgebracht “Tunnelwaterval”, de “ meest geavanceerde silicium spinqubit-chip". Wat opmerkelijk is, is dat het geen prototype is, maar een chip die op schaal is gebouwd, met een rendement van 95% over de wafer en een uniforme spanning. Dit opent de weg naar massaproductie van quantumcomputerchips, iets wat voorlopig ongrijpbaar is in een opkomende en snel veranderende industrie.

Bron: Intel

Trouw aan zijn roots ontwikkelt Intel ook de software om zijn chips te gebruiken, met de release van de Intel Quantum-SDK. Dit vormt de richtlijn voor programmeurs om software voor quantum computing te ontwikkelen die compatibel is met het quantumchipontwerp van Intel, wat historisch gezien een zeer sterke en winstgevende zakelijke gracht is geweest voor Intel's conventionele chipactiviteiten.

Bron: Intel

De komst van schaalbare productie van kwantumchips zou voor de industrie net zo revolutionair kunnen zijn als elke andere, meer technische wetenschappelijke doorbraak, waardoor de kosten omlaag kunnen worden gebracht en gemeenschappelijke programmeerstandaarden en chip-architecturen kunnen worden vastgelegd.

Intel is een bedrijf dat uit ervaring weet hoe sterk dit kan zijn in de computerindustrie, en dat vanaf de jaren zestig nog steeds op de hielen zit van zijn innovaties en bijbehorende patenten.

6. Defiance Quantum ETF

De quantumcomputersector is nog erg jong. Tot nu toe is het grotendeels overgenomen door grote technologiebedrijven met voldoende zakken om miljarden dollars aan dit soort fundamenteel onderzoek te financieren.

Er zijn echter ook veel andere kleinere bedrijven actief in het veld, waarvan sommige samenwerken met genoemde giganten om hun technologie in te zetten.

Het kan voor niet-gespecialiseerde beleggers een nogal moeilijke taak zijn om de complexiteit van de verschillende kwantumcomputingtechnologieën te begrijpen, en nog meer om te raden welke commercieel succesvol zullen zijn.

Dus hoewel directe investeringen in kleine startups op het gebied van kwantumcomputers een optie zijn, is een andere optie om op een ETF te vertrouwen om blootstelling aan de sector te krijgen en tegelijkertijd tegen lagere kosten te diversifiëren.

De Defiance Quantum ETF bevat 69 verschillende aandelen in verband met kwantumcomputing in zijn bezit, inclusief ontwikkelaars van kwantumcomputers en -chips, evenals leveranciers van koelsystemen, lasers, software en andere technologie die wordt gebruikt in kwantumcomputers of de productie van kwantumchips.

Bron: Defiance-ETF

Op dit snel evoluerende terrein zullen de meeste beleggers, zelfs degenen die bekend zijn met de halfgeleiderindustrie, waarschijnlijk profiteren van een zekere mate van diversificatie. Dit kan dus worden bereikt door te wedden op individuele technologiegiganten die de juiste partnerschapskeuzes maken, of door te wedden op een breed scala aan aandelen, iets wat vaak efficiënter wordt bereikt via een speciale ETF.