Teleportatie is niet langer ondenkbaar
Glasvezel is binnenkort hopeloos ouderwets: data versturen gaat via teleportatie. Kwantuminternet is de nieuwe norm. Wat tien jaar geleden nog sciencefiction leek, is binnenkort duizelingwekkende werkelijkheid.
Welkom in de kwantumwereld, waarin alles anders is dan anders; waarin dingen zich op twee plaatsen tegelijk kunnen bevinden; twee voorwerpen op kilometers afstand van elkaar zich gedragen als één ding.
Op de allerkleinste schaal, die van de elementaire deeltjes, blijkt de natuurkunde totaal anders te werken dan in de gewonemensenwereld. Daardoor doet de kwantumwereld intuïtief vreemd aan. Zo raar dat het menselijk voorstellingsvermogen tekortschiet, schrijft natuurkundige George van Hal in zijn boek ”De quantumcomputer”. Juist deze vreemde eigenschappen maken extreem krachtige kwantumcomputers en het supersnelle kwantuminternet mogelijk.
Als iemand met een geweer mikt, schiet hij raak of mis; niet beide tegelijk. Niemand kan ’s avonds met zijn krantje op de bank in de woonkamer zitten en tegelijk op het balkon van de Euromast genieten van het uitzicht op Rotterdam. Allebei tegelijk is onmogelijk, behalve in de kwantumwereld. Dit vreemde verschijnsel heet ”superpositie”.
Intuïtie
Superpositie gaat tegen elke intuïtie in, maar natuurkundigen kunnen deze wel wiskundig beschrijven. Wanneer kwantumdeeltjes elkaar tegenkomen, blijven hun kwantumeigenschappen bovendien aan elkaar plakken, zich ”verstrengelen” in vaktaal.
Van Hal: „Misschien heb je het weleens meegemaakt wanneer je een boterham met honing besmeerde. Je giet wat honing op je boterham, maar dat kleverige spul komt ook terecht op je hand. Je doet het potje weer dicht en nu is het deksel ook plakkerig. Wanneer het potje even later terugzet in de kast, krab je met je vieze hand aan je oor. En ja hoor, het spul zit nu ook aan je hoofd. Een halfuurtje later zitten je broek, de kraan en de krant die je aan het lezen was, er ook onder.”
Kwantuminformatie blijkt net zo ‘kleverig’ als honing. Een kwantumdeeltje kan zich in verschillende superposities vinden, bijvoorbeeld voor snelheid en locatie; het kan dus tegelijk verschillende snelheden hebben en zich op hetzelfde moment op verschillende locaties bevinden.
Een kwantumdeeltje dat bij een ander kwantumdeeltje in de buurt komt, heeft dezelfde superpositie voor locatie. Het zal zich daardoor met het andere deeltje verstrengelen. Wie weet waar het ene deeltje zich bevindt, weet ook waar het andere zich ophoudt.
Zulke verstrengelingen van kwantumdeeltjes hebben miljarden malen plaats in onze wereld. Iedereen is continu verstrengeld met alles om zich heen. Van Hal: „Met de zon, waarvan lichtdeeltjes op je gezicht vallen, of met de wind die door je haren blaast. Alles heeft interactie met elkaar.”
Qubits
Wie weet hoe de wereld van het allerkleinste werkt, kan apparaten bouwen die daarvan slim gebruikmaken. Zoals kwantumcomputers, die in 1981 werden voorspeld door de beroemde Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman.
In gewone computers is alle digitale informatie vastgelegd in reeksen van nullen en enen, zogeheten bits. De kwantumcomputer werkt niet met gewone bits, maar met qubits. Qubits zijn niet 0 of 1, maar kunnen een superpositie hebben van 0 en 1 tegelijk.
Door verstrengeling is de waarde van de ene qubit afhankelijk van die van een andere qubit. Verstrengelde qubits delen ook hun superposities, waardoor een enkele superpositie ontstaat van alle mogelijke combinaties van de waarden van de losse qubits samen.
Twee qubits bevinden zich door een combinatie van superpositie 0 en 1 en door verstrengeling in vier toestanden tegelijk: 00, 01, 10 en 11.
Dit principe geldt niet alleen voor twee, maar ook voor duizenden qubits tegelijk. Op die manier heeft een kwantumcomputer met 1000 qubits een rekenkracht vergelijkbaar met 21.000 gewone bits. Die hoeveelheid is vele malen groter dan het totaalaantal deeltjes in het universum.
Majoranadeeltje
Met de ontdekking van het zogeheten majoranadeeltje haalde Leo van Kouwenhoven, hoogleraar kwantumfysica van het Delftse bedrijf QuTech, in april 2012 het nieuws. Het deeltje heeft geen elektrische lading, geen energie of massa, en bovendien is het zijn eigen antideeltje. Het majoranadeeltje blijkt bij uitstek geschikt voor een toekomstig kwantumgeheugen, weet Van Hal.
Nederlandse en Amerikaanse fysici hebben met de kennis van het majoranadeeltje onlangs een chip gebouwd waarmee de eerste bruikbare kwantumcomputer een flinke stap dichterbij komt. Ze publiceerden hun bevindingen eind vorige maand in Nature.
Momenteel werkt QuTech nauw samen met de Amerikaanse technologiereus Microsoft. Het Delftse bedrijf beschikt nu over een werkende testcomputer met zeventien qubits. Computerreus IBM verwacht dit jaar nog een werkende supercomputer te hebben met vijftig qubits die samenwerken als één enkele qubit.
De grootste supercomputers van vandaag de dag hebben de rekenkracht van een kwantumcomputer van ongeveer vijftig qubits. De zoektocht naar de beste qubit voor de grootste rekensnelheid gaat nog steeds door.
Door verstrengeling van qubits rekent de kwantumcomputer razendsnel. Neem als voorbeeld een telefoonboek waarin alle namen door elkaar zijn gehusseld. Een gewone computer doet er dagenlang over voordat hij de juiste namen heeft gevonden; een kwantumcomputer heeft die informatie in een paar rekenstappen doorgeakkerd.
Wifi
Als kwantumcomputers eenmaal een feit zijn, zal razendsnel kwantuminternet niet lang meer op zich laten wachten. Zeker is dat de huidige wifinetwerken dan niet meer zullen voldoen.
Ook de manier waarop informatie zich over het kwantuminternet beweegt, moet op de schop. Op het huidige internet draagt elk pakketje gegevens altijd informatie bij zich over waar het naartoe moet. Een router, een soort digitale wegwijzer, leest dat uit en stuurt het pakketje de goede kant op. Met kwantuminformatie is dat echter niet mogelijk.
Door verstrengeling van kwantumdeeltjes kan kwantuminformatie echter wel worden geteleporteerd. Verstrengelde deeltjes gedragen zich als één deeltje, ook als ze ver van elkaar verwijderd zijn. Er is een soort mysterieuze verbinding tussen de twee deeltjes, waardoor de toestand van de één afhankelijk is van de superpositie van de ander. Bestudeer je de informatie van het ene deeltje, dan is dus ook de informatie van het andere deeltje duizenden kilometers verderop bekend. De informatie is tegelijk op punt A en B, zonder dat het de tussenliggende weg hoeft af te leggen.
Zo slaagde het team van de Chinese fysicus Jian-Wei Pan afgelopen zomer erin kwantumgegevens te teleporteren van de aarde naar een satelliet op meer dan 500 kilometer hoogte.
Om kwantumcomputers aan het werk te zetten, moet er slimme software worden geschreven. Daarover boog de Indisch-Amerikaanse informaticus Lov Grover zich. Hij bedacht het zogeheten ”algoritme van Grover”, waarmee een kwantumcomputer veel sneller kan zoeken dan een klassieke computer. Bovendien zal de kwantumcomputer zelflerend zijn: de computer zal zijn software zelf schrijven aan de hand van voorbeelden die hij krijgt voorgeschoteld.
Cryptocalyps
Naar verwachting zullen kwantumcomputers een sleutelrol gaan spelen in de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie, het berekenen van klimaatverandering en weersvoorspellingen, het simuleren van de werking van het complete menselijk lichaam voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen, het betrouwbaarder maken van vliegtuigen, het efficiënter maken van spoorboekjes en het beter maken van zelfrijdende auto’s.
De kans is echter aanzienlijk dat ook marketeers de kwantumcomputer gaan inzetten om consumentengedrag in kaart te brengen, om mensen steeds persoonlijker ertoe te bewegen bepaalde producten te kopen of om politieke campagnes te stroomlijnen (zie ”De hightechmaatschappij van morgen”).
Wat kwantumcomputers straks allemaal ook kunnen, over één ding maken multinationals, banken, overheden en geheime diensten zich grote zorgen: kwantumcomputers zijn feilloos in staat zorgvuldig versleutelde informatie te kraken.
Van Hal: „Met de komst van de kwantumcomputer liggen al onze gegevens op straat. Dat is een scenario dat in vakkringen nu al wordt omschreven als de cryptocalyps. Wie over tien jaar niet in zijn hemd wil staan op internet, moet zijn informatie nu al opslaan in systemen die voorlopig onkraakbaar zijn voor kwantumcomputers.”
Software regeert hightechmaatschappij van morgen
De maatschappij van de toekomst is er een van softwarebedrijven. Vandaag de dag bestaat de top vijf van de waardevolste ondernemingen al helemaal uit de zogeheten ”Frightful Five”: Apple, Alphabeth (Google), Microsoft, Amazon en Facebook. Hun invloed groeit gestaag.
Microsoft en Google zijn verwikkeld in een race tegen de klok wie de eerste werkende kwantumcomputer kan presenteren. Daarmee zal de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie, slimme robots en zelflerende machines een nog hogere vlucht nemen.
De bedrijven willen die boot niet missen, want in de nieuwe hightechsamenleving, ook wel industrie 4.0 geheten, raken mens en technologie steeds vergaander met elkaar verweven. De grenzen tussen mens en technologie, tussen virtueel en reëel, tussen menselijk en machinaal leren, tussen menselijke intelligentie en kunstmatige intelligentie zullen steeds meer vervagen, signaleert filosoof Jochanan Eynikel in zijn boek ”Robot aan het stuur”. Een kookrobot kan bijvoorbeeld al een gerecht leren koken door een kookprogramma van de televisie na te bootsen.
Met name augmented reality (AR), die digitale informatie toevoegt aan de reële wereld, zal op korte termijn de grenzen tussen reëel en virtueel laten vervagen. Eynikel: „Met perfecte AR wordt de wereld een interface waaraan je naar believen digitale informatie zoals beelden of tekst kunt toevoegen. Zoals een gps-app die je de weg toont terwijl je naar de weg kijkt, en je met je Facebookvrienden kunt praten alsof ze naast je op de bank zitten.”
Hoever de gelijkenis tussen mens en machine kan gaan, blijkt uit het initiatief van Hiroshi Ishiguro van de universiteit van Osaka. De roboticahoogleraar ontwikkelde een androïde robot die uiterlijk een exacte kopie is van hemzelf. Studenten weten daardoor niet of ze les krijgen van de hoogleraar of van zijn elektronische evenknie.
Zowat elk object zal gegevens gaan uitzenden of ontvangen via het Internet of Things (IoT). Niet alleen worden er continu autonome signalen uitgewisseld tussen apparaten onderling. Ook moeten eindeloze reeksen data van mens en machine ergens worden opgeslagen. Big Data worden onontkoombaar.
Supercomputers van softwarebedrijven kunnen in die enorme databrij patronen ontdekken. „De data die we elke dag uitwisselen, voeden zijn leerproces. De computer leert daarmee verbanden te leggen tussen data en de context waarin die zich voordoen”, aldus Eynikel. Bijvoorbeeld over het dagelijks leefpatroon van consumenten. Een goudmijn voor marketeers.
Kunstmatige intelligentie wordt in de hightechsamenleving even belangrijk als elektriciteit en internet, verwacht Eynikel. „Zowel software als hardware wordt autonomer en zelflerend, met de bedoeling in te spelen op de allerindividueelste behoeften van iedere gebruiker.” De keerzijde is dat de ”Frightful Five” straks naar believen kunnen beschikken over privacygevoelige gegevens die mensen zelf hebben aangeleverd, door slechts van hun diensten gebruik te maken.
boekgegevens
”De quantumcomputer. Een digitale revolutie op het punt van uitbreken”, George van Hal; uitg. New Scientist, Utrecht, 2017; ISBN 9789085716020; 104 blz.; € 10,-.
”Robot aan het stuur. Over de ethiek van techniek”, Jochanan Eynikel; uitg. LannooCampus, Leuven, 2017; ISBN 978401440998; 152 blz.; € 16,99.
