Hoewel recente ontdekkingen de populariteit van kwantumcomputing koud hebben gelaten, moet je de technologie nog niet buiten beschouwing laten. Op 4 maart kondigden Google en XPrize een prijs van 5 miljoen dollar aan voor iedereen die gebruiksscenario’s voor quantumcomputers kan bedenken. Als dat klinkt als een erkenning dat gebruiksscenario’s nog niet bestaan, dan is dat niet zo, zegt Ryan Babbush, hoofd kwantumalgoritmen bij Google. “We kennen enkele toepassingen waarvoor deze apparaten behoorlijk effectief zouden zijn”, zegt hij.
“Een kwantumcomputer is een versneller voor speciale doeleinden”, zegt Matthias Troyer, corporate vice-president van Microsoft Quantum en lid van de adviesraad van de Xprize-competitie. “Dat kan een enorme impact hebben op bepaalde problemen waarbij de kwantummechanica je kan helpen deze op te lossen.”
Het soort problemen waarvoor kwantumcomputers nuttig kunnen zijn, gaat terug naar hun historische wortels. In 1981 stelde natuurkundige Richard Feynman het idee van een kwantumcomputer voor als middel om de volledige complexiteit van de kwantumwereld te simuleren.
“De commerciële impact van het oplossen van kwantumsystemen ligt in de chemie, materiaalkunde en farmacie.” —Matthias Troyer, Microsoft Quantum
Sindsdien hebben wetenschappers ingenieuze algoritmen bedacht om kwantumcomputers bruikbaar te maken voor niet-kwantumzaken, zoals het doorzoeken van databases of het kraken van cryptografie. Database-zoekalgoritmen beloven echter geen duurzame versnellingen in de nabije toekomst, en het vernietigen van de internetbeveiliging lijkt een twijfelachtige reden om een nieuwe machine te bouwen.Maar een recente studie suggereert dat kwantumcomputers in staat zullen zijn kwantumfenomenen te simuleren die van belang zijn voor verschillende industrieën, voordat ze vooruitgang boeken in die andere toepassingen.
“De commerciële impact van het oplossen van kwantumsystemen ligt in de chemie, materiaalkunde en farmacie”, zegt Troyer. En dit zijn sectoren van belang, voegt Troyer toe. “Van het stenen tijdperk tot de bronstijd, het ijzertijdperk, het staaltijdperk en het siliciumtijdperk definiëren wij vooruitgang door middel van materiële vooruitgang.”
Op weg naar een mogelijk nieuw kwantumtijdperk zijn hier enkele voorbeelden met een bewezen kwantumvoordeel op de machines die kwantumcomputeronderzoekers verwachten te zien in het komende decennium. En met een beetje geluk hoopt Troyer dat de prijs van $ 5 miljoen de wetenschappelijke gemeenschap zal aanmoedigen om nog meer manieren te vinden om kwantumalgoritmen in de echte wereld te gebruiken. “Doel [of the prize] is dat we willen dat meer kwantumwetenschappers niet alleen geïnteresseerd zijn in de ontwikkeling van kwantumalgoritmen en hun theorie, maar ook in de vraag: waar kunnen ze worden toegepast? Hoe kunnen we kwantumcomputers gebruiken om de grote problemen van de wereld op te lossen?”
Geneesmiddelmetabolisme
In een artikel gepubliceerd in 2022 PNAS, een samenwerking tussen farmaceutisch bedrijf Boehringer Ingelheim, Columbia University, Google Quantum AI en kwantumsimulatiebedrijf QSimulate onderzocht een enzym genaamd cytochroom P450. Dit specifieke enzym is verantwoordelijk voor het metabolisme van ongeveer 70 procent van de medicijnen die het menselijk lichaam binnenkomen.Het oxidatieproces waarmee een enzym medicijnen metaboliseert is inherent kwantum, op een manier die klassiek moeilijk te simuleren is (klassieke methoden werken goed als er niet veel kwantumcorrelaties op verschillende schalen zijn).
Ze ontdekten dat een kwantumcomputer van enkele miljoenen qubits het proces sneller en nauwkeuriger kon simuleren dan de modernste klassieke technieken. “Wij geloven dat de grotere precisie die een kwantumcomputer biedt nodig is om de chemie in dit systeem goed aan te pakken, dus een kwantumcomputer zal niet alleen beter zijn, maar ook noodzakelijk”, schreven de onderzoekers (waaronder Babbush) in een blogpost. .
CO2 Beslaglegging
Eén strategie om de hoeveelheid kooldioxide in de atmosfeer te verminderen is het vastleggen ervan: het gebruik van een katalysator om te reageren met kooldioxide om een verbinding te creëren die lange tijd kan worden opgeslagen. Er bestaan strategieën voor opslag, maar deze zijn noch kosten noch energie-efficiënt genoeg om de huidige CO2-uitstoot aanzienlijk te verminderen.
Verschillende recente onderzoeken hebben gesuggereerd dat kwantumcomputers in de nabije toekomst kooldioxidereacties met verschillende katalysatoren nauwkeuriger zouden moeten kunnen modelleren dan klassieke computers. Als dit waar is, zou het wetenschappers in staat stellen de effectiviteit van verschillende kandidaten voor sekwestratie effectiever te evalueren.
Landbouwbemesting
De meeste landbouwgrond wordt tegenwoordig bemest met ammoniak die bij hoge temperaturen en druk in grote fabrieken wordt geproduceerd via het Haber-Bosch-proces. In 2017 keek een team van Microsoft Research en ETH Zürich naar een alternatieve methode voor de productie van ammoniak – stikstoffixatie via het enzym stikstofase – die zou werken bij kamertemperatuur en druk.
Deze reactie kan niet precies worden gesimuleerd met klassieke methoden, zo lieten de onderzoekers zien, maar ligt wel binnen het bereik van klassieke en kwantumcomputers die samenwerken. “Als je bijvoorbeeld op kleine schaal in een dorp op een boerderij een chemisch proces voor stikstofbinding zou kunnen vinden, zou dat een enorme impact hebben op de voedselzekerheid”, zegt Troyer, die bij het onderzoek betrokken was.
Kathodes voor alternatieve batterijen
Veel lithium-ionbatterijen gebruiken kobalt in hun kathodes. Kobaltwinning heeft een aantal praktische nadelen, waaronder milieuoverwegingen en onveilige werkpraktijken. Een van de alternatieven voor kobalt is nikkel. In een in 2023 gepubliceerde studie werd in een samenwerking tussen chemieproducent BASF, Google Quantum AI, Macquarie University of Sydney en QSimulate gekeken naar wat er nodig zou zijn om een op nikkel gebaseerde kathode, lithium-nikkeloxide, op een kwantumcomputer te simuleren.
Zuiver lithium-nikkeloxide is volgens de onderzoekers onstabiel tijdens de productie en de basisstructuur ervan wordt slecht begrepen. Een betere simulatie van de grondtoestand van het materiaal kan methoden suggereren om een stabiele versie te maken. De kwantumcomputervereisten om dit probleem adequaat te simuleren liggen “buiten het bereik van de eerste foutgecorrigeerde kwantumcomputers”, schreven de auteurs in een blogpost, “maar we verwachten dat dit aantal zal afnemen met toekomstige algoritmische verbeteringen.”
Fusiereacties
In 2022 haalde de National Ignition Facility de krantenkoppen met de eerste traagheidsfusiereactie die meer energie produceerde dan er direct in werd gestopt. Bij een traagheidsfusiereactie wordt een mengsel van tritium en deuterium door lasers verwarmd totdat het een plasma vormt dat in zichzelf instort, waardoor de fusiereactie wordt veroorzaakt. Dit plasma is ontzettend moeilijk te simuleren, zegt Babbush, die bij het onderzoek betrokken was. “Het ministerie van Energie besteedt al honderden miljoenen CPU-uren, zo niet miljarden CPU-uren, als we maar één hoeveelheid tellen”, zegt hij.
In een preprint presenteerden Babbush en zijn medewerkers een algoritme dat een kwantumcomputer zou kunnen gebruiken om de reactie in zijn volledige complexiteit te modelleren. Dit zou, net als het onderzoeken van de kathode van een batterij, meer qubits vereisen dan er momenteel beschikbaar zijn, maar de auteurs zijn van mening dat toekomstige verbeteringen in hardware en algoritmen deze kloof zouden kunnen dichten.
Verbetering van kwantumsensoren
In tegenstelling tot kwantumcomputers hebben kwantumsensoren al impact in de echte wereld. Deze sensoren kunnen magnetische velden nauwkeuriger meten dan welke andere technologie dan ook, en worden gebruikt om de hersenen te scannen, de zwaartekracht te meten om geologische activiteit in kaart te brengen, en meer. De output van een kwantumsensor zijn kwantumgegevens, maar deze worden momenteel gelezen als klassieke gegevens, traditionele enen en nullen die een deel van de volledige kwantumcomplexiteit missen.
Een onderzoek uit 2022 uit een samenwerking tussen Google, Caltech, Harvard, UC Berkeley en Microsoft toonde aan dat als de output van een kwantumsensor in plaats daarvan in een kwantumcomputer wordt ingevoerd, ze een slim algoritme kunnen gebruiken om relevante eigenschappen te leren met exponentieel minder kopieën van de sensorgegevens, waardoor de meting wordt versneld. Ze demonstreerden hun kwantumalgoritme op een gesimuleerde sensor, waarmee ze aantoonden dat dit algoritme zelfs voor de huidige kwantumcomputers binnen handbereik ligt.
En meer
Er zijn ook gunstige kwantumalgoritmen die nog steeds op zoek zijn naar definitieve gebruiksscenario’s, en er is prijzengeld uitgeloofd om die zoektocht te motiveren. Tot deze algoritmen behoren het oplossen van bepaalde soorten lineaire differentiaalvergelijkingen en het vinden van patronen in gegevens die klassiek niet beschikbaar zijn. Bovendien kan van veel algoritmen traditioneel niet worden bewezen dat ze efficiënt werken met potlood en papier, zegt Jay Gambetta, vice-president van IBM Quantum. In plaats daarvan proberen mensen heuristische algoritmen op echte hardware, en sommige daarvan presteren verrassend goed. Bij kwantumcomputers, zo stelt Gambetta, is de staat van de hardware nog maar één stap verwijderd van goed genoeg om nog veel meer heuristische algoritmen te testen, dus er zouden veel meer gebruiksscenario’s moeten zijn.
“Ik denk dat we eindelijk het algoritme met hardware kunnen ontdekken”, zegt Gambetta. “Voor mij opent het een ander pad voor versnelde wetenschappelijke ontdekkingen. En dat vind ik het spannendst.”
Uit artikelen op uw website
Gerelateerde artikelen op internet