8 Quantum Computing Applications & Examples

Slowly but surely, quantum computing is getting ready for its close-up.

Google haalde in oktober de voorpagina’s met de aankondiging dat het de langverwachte doorbraak van “quantum supremacy” had bereikt. Dat is wanneer een kwantumcomputer in staat is een taak uit te voeren die een conventionele computer niet kan. Niet in een praktische hoeveelheid tijd, in ieder geval. Google beweerde bijvoorbeeld dat een klassieke computer duizenden jaren nodig zou hebben gehad om het testprobleem uit te voeren, hoewel sommige critici en concurrenten dat schromelijk overdreven vonden.

IBM, bijvoorbeeld, vond het maar niets. De andere grote speler op het gebied van kwantum, plaatste prompt een reactie waarin het in wezen stelde dat Google de kracht van IBM-supercomputers had onderschat – die, hoewel razendsnel, niet van de kwantumvariant zijn.

Tech giant head-butting aside, Google’s achievement was a genuine milestone — one that further established quantum computing in the broader consciousness and prompted more people to wonder, What will these things actually do?

But even once quantum computing reigns supreme, its potential impact remains largely theoretical — hence the hedging throughout in this article. That’s more a reflection, though, of QC’s still-fledgling status than unfulfilled promise.

Before commercial-scale quantum computing is a thing, however, researchers must clear some major hurdles. De belangrijkste daarvan is het verhogen van het aantal qubits, eenheden van informatie die quantumcomputers gebruiken om taken uit te voeren. Terwijl de “bits” van een klassieke computer als 1 of 0 bestaan, kunnen qubits beide zijn – of beide tegelijk. Dat is de sleutel tot massaal hogere verwerkingssnelheden, die nodig zijn om quantummechanica op moleculair niveau te simuleren.

Ondanks het nog steeds hypothetische karakter van quantum en de lange weg die nog te gaan is, zijn er voorspellingen en investeringen in overvloed. Sundar Pichai, CEO van Google, vergeleek de recente proof-of-concept-vooruitgang van zijn bedrijf met de 12-secondenvlucht van de gebroeders Wright: hoewel zeer basaal en van korte duur, liet het zien wat er mogelijk is. En wat er mogelijk is, zeggen deskundigen, is inderdaad indrukwekkend.

Van cyberbeveiliging tot farmaceutisch onderzoek tot financiën, hier zijn enkele manieren waarop kwantum grote vooruitgang zal vergemakkelijken.

Post-Quantum

Locatie: Londen

Hoe het quantumcomputing gebruikt: Voor presidentskandidaat Andrew Yang betekende de kwantummijlpaal van Google dat “geen code meer te kraken is.” Hij verwees naar het veelbesproken idee dat de ongekende factoriseringskracht van kwantumcomputers de gebruikelijke internetencryptiesystemen ernstig zou ondermijnen.

Maar Google’s apparaat (net als alle huidige QC-apparaten) is veel te foutgevoelig om de directe bedreiging voor cyberveiligheid te vormen die Yang impliceerde. Sterker nog, volgens theoretisch computerwetenschapper Scott Aaronson zal zo’n machine voorlopig nog niet bestaan. Maar het dreigende gevaar is ernstig. En het jarenlange streven naar quantumbestendige algoritmen – zoals de lopende wedstrijd van het National Institute of Standards and Technology om dergelijke modellen te bouwen – laat zien hoe serieus de beveiligingsgemeenschap de dreiging neemt.

Een van de slechts 26 zogenaamde post-quantum algoritmen die de “halve finales” van het NIST heeft gehaald, is afkomstig van, toepasselijk genoeg, het in Groot-Brittannië gevestigde bedrijf Post-Quantum, dat zich bezighoudt met cyberbeveiliging. Volgens deskundigen is het zorgvuldige en weloverwogen proces dat door het NIST-project wordt geïllustreerd, precies wat kwantumgerichte beveiliging nodig heeft. Dr. Deborah Franke van de National Security Agency zei tegen Nextgov: “Er zijn twee manieren waarop je een fout zou kunnen maken met kwantumbestendige encryptie: De ene is dat je te vroeg op het algoritme springt, en de andere is dat je te laat op het algoritme springt.”

ProteinQure

Locatie: Toronto

Hoe het quantumcomputing gebruikt: “De echte opwinding over kwantum is dat het universum fundamenteel werkt op een kwantummanier, dus je zult in staat zijn om de natuur beter te begrijpen,” vertelde Google’s Pichai aan MIT Technology Review in de nasleep van de recente aankondiging van zijn bedrijf. “Het is nog vroeg, maar waar kwantummechanica schittert is het vermogen om moleculen te simuleren, moleculaire processen, en ik denk dat dat is waar het het sterkst zal zijn. Geneesmiddelenonderzoek is een goed voorbeeld.”

Een bedrijf dat zich richt op moleculaire simulatie, met name op het gedrag van eiwitten, is de in Toronto gevestigde biotech-startup ProteinQure. Met een recent startkapitaal van 4 miljoen dollar werkt ProteinQure samen met leiders op het gebied van quantumcomputing (IBM, Microsoft en Rigetti Computing) en farmaceutische onderzoeksinstellingen (SRI International, AstraZeneca) om de mogelijkheden van QC bij het modelleren van eiwitten te onderzoeken.

Dat is de uiterst complexe maar zeer winstgevende route bij de ontwikkeling van medicijnen, waarbij eiwitten worden gemanipuleerd voor specifieke medische doeleinden. Hoewel het veel nauwkeuriger is dan de oude trial-and-error methode van chemische experimenten, is het computationeel gezien een oneindig grote uitdaging. Zoals de Boston Consulting Group opmerkte, zou voor het modelleren van een penicillinemolecuul een onmogelijk grote klassieke computer met bits van 10 tot de 86e macht nodig zijn. Voor geavanceerde kwantumcomputers zou datzelfde proces echter in een handomdraai kunnen worden uitgevoerd – en zou het kunnen leiden tot de ontdekking van nieuwe medicijnen tegen ernstige ziekten als kanker, Alzheimer en hartziekten.

Biogen uit Cambridge (Massachusetts) is een ander opmerkelijk bedrijf dat de mogelijkheden van kwantumcomputing voor de ontwikkeling van medicijnen onderzoekt. Het biotechbedrijf, dat zich richt op onderzoek naar neurologische ziekten, kondigde in 2017 een partnerschap aan met quantum startup 1QBit en Accenture.

Gerelateerde20 Quantum Computing-bedrijven die baanbrekende doorbraken maken

Daimler AG

Locatie: Stuttgart, Duitsland

Hoe het quantumcomputing gebruikt: Het potentieel van QC’s om kwantummechanica te simuleren zou ook transformatief kunnen zijn in andere chemiegerelateerde domeinen dan de ontwikkeling van geneesmiddelen. De auto-industrie, bijvoorbeeld, wil de technologie inzetten om betere autoaccu’s te bouwen.

In 2018 kondigde de Duitse autofabrikant Daimler AG (het moederbedrijf van Mercedes-Benz) twee verschillende partnerschappen aan met quantum-computing grootmachten Google en IBM. Elektrische voertuigen zijn “voornamelijk gebaseerd op een goed functionerende celchemie van de batterijen,” schreef het bedrijf destijds in zijn magazine. Kwantumcomputing, zo voegde het bedrijf eraan toe, wekt “gegronde hoop” op “eerste resultaten” op gebieden als cellulaire simulatie en de veroudering van batterijcellen. Verbeterde accu’s voor elektrische auto’s zouden kunnen helpen de adoptie van deze voertuigen te vergroten.

Daimler onderzoekt ook hoe QC AI zou kunnen superchargen, plus het beheren van een autonoom-voertuig-gerelateerde verkeerstoekomst en het versnellen van de logistiek. Het volgt in de voetsporen van een ander groot Teutoons transportmerk: Volkswagen. In 2017 kondigde de automaker een partnerschap aan met Google gericht op soortgelijke initiatieven. Het ging ook een samenwerking aan met D-Wave Systems, in 2018.

Volkswagen Group

Locatie: Wolfsburg, Duitsland

Hoe het quantumcomputing gebruikt: Het onderzoek van Volkswagen naar optimalisatie brengt een punt naar voren dat de moeite waard is om te benadrukken: Ondanks enkele algemene framings is de belangrijkste doorbraak van quantumcomputing niet alleen de snelheid waarmee het uitdagingen oplost, maar ook het soort uitdagingen dat het oplost.

Het “reizende koopman”-probleem is bijvoorbeeld een van de beroemdste in de informatica. Het is bedoeld om de kortst mogelijke route tussen meerdere steden te bepalen, waarbij elke stad één keer wordt aangedaan en wordt teruggekeerd naar het beginpunt. Het staat bekend als een optimalisatieprobleem en is voor een klassieke computer ongelooflijk moeilijk om aan te pakken. Voor volledig gerealiseerde QC’s zou het echter een peulenschil kunnen zijn.

D-Wave en VW hebben al proefprogramma’s uitgevoerd voor een aantal verkeers- en reisgerelateerde optimalisatie-uitdagingen, waaronder het stroomlijnen van verkeersstromen in Beijing, Barcelona en, deze maand nog, Lissabon. In dit laatste geval reisde een vloot bussen langs verschillende routes die waren afgestemd op de verkeersomstandigheden in real time met behulp van een kwantumalgoritme, dat VW na elke proefrun blijft aanpassen. Volgens D-Wave CEO Vern Brownell brengt de pilot van het bedrijf “ons dichter dan ooit bij het realiseren van echte, praktische quantumcomputing.”

JPMorgan Chase

Locatie: NYC

Hoe het quantumcomputing gebruikt: De lijst van partners die deel uitmaken van Microsofts zogeheten Quantum Network omvat een keur aan onderzoeksuniversiteiten en kwantumgerichte technische outfits, maar weinig zakelijke partners. Twee van de vijf – NatWest en Willis Towers Watson – zijn echter banken. Ook bij IBM’s Q Network valt JPMorgan Chase op, temidden van een zee van op technologie gerichte leden, alsmede overheids- en hoger-onderwijsinstellingen.

Dat enorm winstgevende financiële dienstverleners gebruik zouden willen maken van paradigma-verschuivende technologie is nauwelijks een schok, maar kwantum en financiële modellering zijn een echt natuurlijke match dankzij structurele overeenkomsten. Zoals een groep Europese onderzoekers vorig jaar schreef: “De hele financiële markt kan worden gemodelleerd als een kwantumproces, waarbij grootheden die belangrijk zijn voor financiën, zoals de covariantiematrix, op natuurlijke wijze naar voren komen.”

Veel recent onderzoek heeft zich specifiek gericht op het potentieel van kwantum om het zogenaamde Monte Carlo-model drastisch te versnellen, dat in wezen de waarschijnlijkheid van verschillende uitkomsten en hun bijbehorende risico’s meet. Een paper uit 2019, geschreven door IBM-onderzoekers en leden van het Quantitative Research-team van JPMorgan, bevatte een methode om optiecontracten te prijzen met behulp van een kwantumcomputer.

Niettegenstaande de ogenschijnlijk duidelijke toepassing voor risicobeoordeling, zou kwantum in de financiële wereld een brede toekomst kunnen hebben. “Als we vandaag de dag de beschikking hadden, wat zouden we dan doen?” vroeg Nikitas Stamatopoulos, een co-auteur van het prijs-optie artikel, zich af. “Het antwoord is vandaag niet erg duidelijk.”

Microsoft

Locatie: Redmond, Wash.

Hoe het quantum computing gebruikt: De wereld heeft een mestprobleem dat verder gaat dan een overvloed aan poep. Een groot deel van de kunstmest op aarde wordt gemaakt door atmosferische stikstof te verhitten en onder druk om te zetten in ammoniak, een proces dat begin 1900 werd ontwikkeld door de Duitse chemicus Fritz Haber.

Het zogenaamde Haber-proces is weliswaar revolutionair, maar bleek veel energie te kosten: zo’n drie procent van de jaarlijkse mondiale energie-output gaat naar de exploitatie van Haber, wat goed is voor meer dan een procent van de uitstoot van broeikasgassen. Nog gekker, sommige bacteriën voeren dat proces van nature uit – we hebben gewoon geen idee hoe en kunnen er dus geen gebruik van maken.

Met een adequate kwantumcomputer zouden we echter waarschijnlijk kunnen achterhalen hoe – en daarbij aanzienlijk energie besparen. In 2017 isoleerden onderzoekers van Microsoft het cofactor-molecuul dat nodig is om te simuleren. En dat gaan ze doen zodra de kwantumhardware een voldoende aantal qubits en ruisstabilisatie heeft. De CEO van Google vertelde onlangs aan MIT dat hij denkt dat de kwantumverbetering van Haber nog ruwweg een decennium verwijderd is.

IBM

Locatie: Armonk, New York

Hoe het quantum computing gebruikt: Recent onderzoek naar de vraag of kwantumcomputing de weersvoorspelling enorm zou kunnen verbeteren, heeft uitgewezen… dat het een onderwerp is dat het onderzoeken waard is! En hoewel we nog weinig inzicht hebben in die relatie, beschouwen velen in het QC-veld het als een opmerkelijke use-case.

Ray Johnson, voormalig CTO bij Lockheed Martin en nu onafhankelijk directeur bij quantum startup Rigetti Computing, behoort tot degenen die hebben aangegeven dat de methode van quantum computing voor gelijktijdige (in plaats van sequentiële) berekening waarschijnlijk succesvol zal zijn bij “het analyseren van het zeer, zeer complexe systeem van variabelen dat het weer is.” Futurist Bernard Marr heeft zich daarbij aangesloten.

Weliswaar gebruiken we momenteel enkele van ’s werelds krachtigste supercomputers voor het modelleren van weersvoorspellingen met hoge resolutie, maar nauwkeurige numerieke weersvoorspellingen zijn notoir moeilijk. Het is waarschijnlijk nog niet zo lang geleden dat je een meteoroloog hebt vervloekt die het bij het verkeerde eind had.

Rigetti Computing

Locatie: Berkeley, Calif.

Hoe het quantumcomputing gebruikt: Kwantumcomputing en kunstmatige intelligentie kunnen wederzijdse achterklap blijken te zijn. Zoals VentureBeat onlangs uitlegde, zal vooruitgang in deep learning ons begrip van de kwantummechanica waarschijnlijk vergroten, terwijl tegelijkertijd volledig gerealiseerde kwantumcomputers conventionele computers ver zouden kunnen overtreffen in patroonherkenning van gegevens. Wat dat laatste betreft, ontdekte het kwantumonderzoeksteam van IBM onlangs dat het verstrengelen van qubits op de kwantumcomputer die een gegevensclassificatie-experiment uitvoerde, het foutenpercentage halveerden in vergelijking met onverstrengelde qubits.

“Wat dit suggereert,” merkte een essay in de MIT Technology Review op, “is dat naarmate quantumcomputers beter worden in het benutten van qubits en in het verstrengelen ervan, ze ook beter zullen worden in het aanpakken van machine-learning problemen.”

IBM’s onderzoek kwam in het kielzog van een ander veelbelovend machine-learning classificatie algoritme: een quantum-klassieke hybride uitgevoerd op een 19-qubit machine gebouwd door Rigetti Computing.

“Het gebruik van kwantum heeft de potentie om het leren van machines te versnellen of anderszins te verbeteren ten opzichte van puur klassieke prestaties,” schreven de Rigetti-onderzoekers. De hybridisatie van klassieke rekenmachines en kwantumprocessoren heeft “een belangrijke uitdaging” overwonnen om dat doel te bereiken, legden ze uit.

Beiden zijn belangrijke stappen op weg naar het uiteindelijke doel om AI aanzienlijk te versnellen door middel van quantumcomputing. Dat zou kunnen leiden tot virtuele assistenten die je de eerste keer begrijpen. Of personages in videogames die niet door een speler worden bestuurd en zich hyperrealistisch gedragen. De potentiële verbeteringen zijn talrijk.

“I think AI can accelerate quantum computing,” Google’s Pichai said, “and quantum computing can accelerate AI.”

RelatedQuantum Computers Will Transform How We Make & Play Video Games