Delftse onderzoekers ontdekken bij toeval nieuwe qubit

Onderzoekers zijn erin geslaagd een 'exotisch molecuul' te construeren, dat uit een arseenatoom en een kunstmatig, plat atoom bestaat. De exoot werd bij toeval ontdekt tijdens onderzoek naar nanotransistors.

Een fundamentele voorwaarde voor de bouw van quantumcomputers is de beschikbaarheid van een atoom of molecuul dat verschillende quantumtoestanden kan hebben. Het manipuleren van die toestanden moet het mogelijk maken informatie in de vorm van qubits op te slaan, die, anders dan traditionele binaire bits, meer informatie kunnen bevatten dan alleen een nul of een één. De ontdekking van een dergelijk quantummolecuul zou volgens wetenschappers een doorbraak voor de ontwikkeling van quantumcomputers kunnen betekenen. Een groep onderzoekers van de Delftse Technische Universiteit lijkt tijdens experimenten met nanotransistors die doorbraak bij toeval te hebben gemaakt .

Sven Rogge van de TU Delft onderzocht met zijn collega's de effecten van onzuiverheden in nanotransistors, toen zij een atoom ontdekten dat voor elektronentransport zorgde. Dat bleek echter geen onzuiverheid in het materiaal te zijn, maar een synthetisch atoom dat door de stroom in de testopstelling werd gevormd. Die testopstelling omvatte een enkel arseenatoom in silicium: het tweede, kunstmatige atoom werd gevormd toen een stroom door de opstelling werd gevoerd, en vormde samen met het arseenatoom het exotische molecuul.

In het synthetische molecuul zorgt een gedeeld elektron voor de aparte vorm en de vreemde eigenschappen, en daarmee voor mogelijke quantumtoepassingen. De positie van het elektron, en daarmee de quantumtoestand van het molecuul, blijkt namelijk afhankelijk van de spanning die over de opstelling werd aangebracht. Daarmee hebben de onderzoekers een belangrijke bouwsteen in handen om een quantumcomputer te bouwen die 'normaal' via elektriciteit kan worden bediend.

Reacties (71)

Of quantum computers echt alles kunnen is nog maar de vraag. Er was in maart een uitgebreid artikel in de Scientific American die het nut van quantum computers nogal inperkt tot bepaalde typen complexe problemen.

Hier is een samenvatting van het artikel met links en plaatjes.
http://blog.adamnash.com/...puters-by-scott-aaronson/

[Reactie gewijzigd door Minotic op 3 juli 2008 13:17]

Mijn vraag en vrees blijft bij deze ontwikkelingen altijd dezelfde: als software-ontwikkelaars op dit moment nog geeneens dual- en quadcores optimaal benutten (zie artikel intel met duizenden cores), terwijl ze toch al enige tijd op de markt zijn, wat gaat er dan gebeuren als we de (r)evolutie meemaken als de nulletjes en de eentjes vervangen worden door nul, één, misschien, altijd, ....?

Hoe gaan software- en hardwareontwikkelaars op zo een aartsmoeilijke stap reageren als het nu (in een vrij veilige en gemarkeerde zone) al zo moeilijk gaat.

Ik vind dat de quantumrevolutie er beter gisteren dan vandaag is, want binair is wezenlijk zooooo traag, maar ik vrees dat de quantumtech véél te moeilijk te hanteren zal worden voor de modale én zelfs gespecialiseerde ontwikkelaars.

Quantum computing is geen heilige graal en de oplossing voor al onze computerproblemen. Een conventionele computer is nog altijd nodig om je OS en je software te kunnen draaien, want dat kan een quantum computer namelijk niet goed. Quantum computing kan worden gebruikt om een bepaald klasse problemen exponentieel sneller op te lossen dan een conventionele computer dat kan, dat is alles. Een van die problemen is bijvoorbeeld het factorizeren van priemgetallen - de huidige encryptiemethoden zoals RSA zijn praktisch "onbreekbaar" omdat factorizatie nog niet goed mogelijk is, anders dan brute force wat gewoonweg te lang duurt bij grote sleutels.

[Reactie gewijzigd door .oisyn op 3 juli 2008 12:40]

Wel zou het het nabootsen van iets als een menselijk brein (wat ook slecht is in supersnel rekenen) hierdoor mogelijk gemaakt kunnen worden (hiervoor is het ietwat chaotische gedrag van quantum-computers heel geschikt voor). Dat lijkt mij toch zeer interessant, maar idd blijft de rekensnelheid ook uitermate handig, een combinatie wordt dan magic.

Als je compiler het naar quantum-code kan compileren is het al goed lijkt me. Op zijn hoogst wordt datatype bit iets gewijzigd, maar mensen blijven dezelfde soorten input geven, dus text, coordinaten, getallen, want dat is nu eenmaal wat er geautomatiseerd wordt.
Voor het ontwikkelen van talen met compilers moet je wel een flinke stap maken lijkt me.
Je app wordt niet zomaar uit de markt gedrukt als hij dat niet voorbereid is. Stel dat openoffice wel met een quantum-versie komt dan hebben ze nog steeds niet alle features, ui-snufjes, en marketing om het van ms te kunnen winnen.

Als je compiler het naar quantum-code kan compileren is het al goed lijkt me

Nee dus. Een quantum programma zit heel anders in elkaar dan een conventioneel computerprogramma. Om een probleem met een quantum computer op te lossen moet je dat probleem zo omschrijven dat het de fysieke karakteristieken van quantum mechanica gebruikt. Een conventioneel programma compileren met een quantum compiler zal dus ook niet gaan. Er komt ook een behoorlijk hoge dosis wiskunde bij kijken. Kijk bijvoorbeeld eens naar enkele bekende quantum algoritmes zoals die van Shor (voor het factorizeren van priemgetallen) en Grover (voor het vinden van data in een ongeordende set in O(√n) tijd).

[Reactie gewijzigd door .oisyn op 3 juli 2008 12:57]

Ik denk dat tegen die tijd de voordelen van quantum-programmeren zo duidelijk zullen zijn, dat men gek zou zijn het niet te doen. Je app zou dan meteen totaal uit de markt gedrukt kunnen worden door een alternatief. Verder kan ik mij ook voorstellen dat het niet eens mogelijk is om er geen gebruik van te maken, managen van de nieuwe hardware zal een mate van quantum-programmering nodig hebben denk ik.

Leuk dit onderwerp, ik had het er nog over in de "super veel cores" topic. Ik denk dat dit de toekomst is, en hier de developers zich op moeten gaan concentreren (als er prototypes zijn).

Er is één nadeel aan Kwantum comptuers: Als er één in slechte handen komt hebben we een groot probleem te denken aan banken en andere grote instellingen. Als we dit ook nog zouden kunnen uitbreiden naar super kwantum computers dan zijn de mogelijkheden eindeloos lijkt mij zo.

Zijn ze straks niet gewoon te koop net als normale pc's nu en waarom kan je daar zoveel slechts mee doen?

Ik denk dat hij doelt op brute forcing, wat wel haalbaar is met een quantumcomputer. Die 1024 bits key van Kaspersky een tijdje terug zou dan op een relatief korte tijd kunnen gekraakt worden.

[Reactie gewijzigd door Lulukai op 3 juli 2008 12:12]

Met one-time-pad encryptie bereik je veel, oftewel onbreekbare encryptie!

Het nadeel: De key is even groot als de data.

Leuke link, leuk idee om over na te denken... Misschien daarna nog een compressie over de encryptie?

Een goede encryptie creëert pseudo-random data die niet van ruis te onderscheiden is, en ruis kan je niet comprimeren.

in willekeurige gegevens zitten ook met grote waarschijnlijkheid lange reeksen herhalingen..

Probleem is dat al die reeksen exact even vaak voorkomen, andres is het immers geen ruis. 1 komt even vaak voor als 0, 11 even vaak als 01, 10 of 00 enz.

Wat is nu de eigenschap van zo groot mogelijke datadichtheid? Juist ja, dat alle reeksen exact even vaak voorkomen. Kijk maar eens in een zipbestand. 0000 komt even vaak voor als 1111, 1010 enz. dus kan je niet verder comprimeren.

De grootst mogelijke datadichtheid en 'perfecte random' ruis hebben dus dezelfde eigenschappen!

[Reactie gewijzigd door kidde op 4 juli 2008 01:44]

Wat is daar nadelig aan? Je gaat je key toch niet meesturen met je data?

Je moet dan wel van tevoren een enorme willekeurige key opsturen, wat nogal veel werk is (en ook weer veiligheidsrisico's heeft)

Er zijn meer nadelen aan one-time pad encryptie:

Implementation difficulties have led to one-time pad systems being broken, and are so serious that they have prevented the one-time pad from being adopted as a widespread tool in information security.

(uit jouw link)

Zo perfect is het (helaas) dus helemaal niet.

dat wordt dan natuurlijk een 1024 qubit key...

_{(uitleg: variabele waarden op variabele tijdstippen.... dus oneindige geluksfactor om een treffer te krijgen)}

[Reactie gewijzigd door TeknoGecko op 3 juli 2008 13:35]

tegen die tijd stappen we dan toch over op kwantumbeveiliging? ik bedoel, naar mate de computers sneller worden stappen we zowieso steeds over op betere encryptie.

Dan ga je er wel vanuit dan quantum computing een exponentiele speed-up heeft? Volgens Grover's algoritme is het juist een kwadratische speed-up.

In ieder geval is (zover ik weet) tot nu toe nog niet bewezen dat de verzameling van problemen die met quantum computing opgelost kunnen worden ook NPC bevat. Je kunt zo'n key dus misschien sneller kraken, maar nog steeds niet binnen polynomiale tijd.

Waarom zal er nog "personal computers" zijn, als er een enorme CPU-kracht beschikbaar is en tegen die tijd een enorm geavanceerd netwerk.

Ik denk dat tegen die tijd er een enorme hyve is van supercomputers in elke stad die globaal verbonden zijn. En iedereen gebruik kan maken van clients.

Ach dat houdt nooit op. Volgens mij heeft een Nintendo DS meer CPU kracht dan in de jaren 60 wereldwijd beschikbaar was. Wat nu veel lijkt is straks doodnormaal.

In het progamma FutureCar (op Discovery Channel) werd verteld dat de chip in een wenskaart-met-irritant-muziekje meer kracht heeft dan alle geallieerden in WOII bij elkaar.

Quantumcomputers zijn niet per definitie sneller dan gewone computers. Ze zijn vooral goed in bepaalde algoritmes waar gewone computers moeite mee hebben. Bijvoorbeeld het ontbinden van grote getallen in priemgetallen, dat momenteel de basis is van veel encryptie.

Voordat quantumcomputers de snelheid en geheugencapaciteit hebben van huidige pc's zal nog wel zeer lang duren. Ik verwacht dat de eerste quantumcomputers beschikbaar worden als insteekkaart voor pc's. Software die deze functionaliteit nodig heeft kan dan deze gebruiken, zoals bijvoorbeeld games de geluidskaart gebruiken. Andere software hoeft niet aangepast te worden.

latency?

Laat ons de problemen oplossen als ze zich stellen. Er is nog steeds geen enkele reden om aan te nemen dat quantumcomputers binnen de 10 jaar realiteit zijn. Programmeurs er nu al op trainen is zo goed als onmogelijk, aangezien men niet eens weet hoe de hardware eruitziet
Qua security ed zal het natuurlijk ook liggen aan de beschikbaarheid en de kwaliteiten van die computers

edit: met dank aan .oisyn: weer wat bijgeleerd

[Reactie gewijzigd door the_stickie op 3 juli 2008 16:00]

Euh, quantum computing is een dermate algemeen begrip dat je daar mensen wél voor kunt opleiden. Het is niet dat men bepaalde assembly instructies moet gaan leren oid. Het gaat om de concepten van quantum algoritmen, die behoorlijk pittig zijn en in feite onafhankelijk van de hardware. Leren programmeren is feitelijk ook onafhankelijk van een taal. Goed, je hebt een taal nodig om het te kunnen leren, maar de algemene concepten zijn niet verschillend tussen verschillende talen

Er bestaan trouwens quantum simulators om dat soort algoritmen in te draaien. Ontzettend langzaam natuurlijk omdat ze niet gebruik kunnen maken van de fysieke eigenschappen van de quantum mechanica en dus gesimuleerd moeten worden, maar wel handig om je algoritme alvast in te testen . Kijk bijvoorbeeld eens naar QCL (een imperatieve taal), Q Language (een quantum library en simulator voor C++) en QML (een funcitonele taal).

Op het moment dat je quantum algoritmen onder de knie hebt moet het niet heel moeilijk zijn om uiteindelijk een daadwerkelijke quantum computer in gebruik te nemen. Net als dat het voor een Java programmeur ook niet heel moeilijk is om over te stappen op C#.

[Reactie gewijzigd door .oisyn op 3 juli 2008 13:19]

offtopic:
Mijn vader werkt bij de Kwantum

Waarom zou het gevaarlijk zijn als mensen met kwade bedoelingen computers gebruiken? Die mensen kunnen nu al online om sites te defacen en andere digitale problematiek veroorzaken.

Mogelijk doelt MarCreative op de sterke cryptografische mogelijkheden en de ongekende rekenkracht. Niet alleen moet het met kwantumcomputers mogelijk worden bijzonder veilige communictie te gebruiken, langs de ander kant zou een quantumcomputer ook zeer sterk zijn in het oplossen van huidige cryptografische vraagstukken.
De belangrijkste vraag is echter nu of deze capaciteiten, die al in de jaren 80 en 90 aan quantumcomputers toegedicht werden, bewaarheid zullen worden, en dan nog wanneer!!!

Ik kan mij iets herinneren over de Mac G5 die een tijdje niet te krijgen was, vanwege de toenmalige processor-power. Maar ik neem aan dat banken e.d. de eerste zullen zijn die quantum-computers gaan gebruiken, mits deze betrouwbaar zijn. Of ze zetter er 1 in als firewall, probleem opgelost.

Het mooie van dit soort ontdekkingen vind ik, dat ze toevallig zijn. Ik zie dit vrij geregeld in de wetenschap, ook op mijn werk. Veel grote ontdekkingen uit het verleden zijn precies zo ontstaan.

On-topic: Hoe zit het nu eigenlijk met het uitlezen van de quantum-staat van een molecuul. Is dit alleen te voorspellen en nu dus goed te regelen aan de hand van de spanning? Echt uitlezen kan volgens mij niet. Of het was zo dat dit wel kon, maar de staat daardoor verandert. In dit laatste geval is bovenstaande dus eerder te gebruiken als geheugen-"chip"... of zie ik het verkeerd.

Haha, dat klinkt net als een of ander oud DOS spel, waarin je de wereld moet beschermen tegen slechteriken die een supercomputer hebben gestolen

Maar ontopic, dit betekent dat we weer een nieuw hokje kunnen invullen in het periodiek stelsel?

Volgens mij niet, al staat dat er niet duidelijk. Het gaat om een nieuw type molecuul, niet een nieuw type atoom geloof ik (behalve dan dat deze synthetisch is gemaakt).

Het nieuwe van dit molecuul is
On one end is the spherical submerged arsenic atom; on the other end is an "artificial" flat atom, seemingly 2D, created as an artifact. The pair form an exotic molecule, which has a shared electron, which can be manipulated to be at either end, or in an intermediate quantum state.
They found that a single atom was transporting electrons, but could not find the impurity responsible. It turned out it was not an impurity, but a synthetic atom with an unknown proton/neutron character, created by the electrical current.
het molecuul bestaat alleen in een spanningsveld, maar mist dan één dimensie, wat ik ervan begrijp. Voer voor theoretici dus.

Nee, want het gaat om een molecuul, geen atoom zoals in het periodiek stelsel staan.

Iemand enig idee welk atoom ze in het bericht bedoelen met:

...het tweede, kunstmatige atoom...

[Reactie gewijzigd door _Diesel_ op 3 juli 2008 14:58]

The release of atomic energy has not created a new problem. It has merely made more urgent the necessity of solving an existing one.
Albert Einstein

@MarCreative :

Het idee dat quantum-computers een bedreiging zou zijn, is gebasseerd op de relatieve rekenkracht t.o.v. het slome ding ( ) waar jij en ik nu achter zitten...

De banken zullen logischerwijs gaan beveiligen met quantumencryptie. Als je een beveiliging verzint die `op dat niveau' even sterk is als waar we momenteel mee werken, zie ik geen enkel probleem.

_{EDIT: typfoutjes}

[Reactie gewijzigd door danielcello op 3 juli 2008 21:30]

Er is één nadeel aan Kwantum comptuers: Als er één in slechte handen komt hebben we een groot probleem te denken aan banken en andere grote instellingen

Daar hebben we toch quantum encryptie voor uitgevonden ...

Kwantum computer is de Nederlandse vertaling van Quantum computer. Zie Wikipedia ik ga dan ook uit van sarcasme.

Daar niet van, ik doelde inderdaad op de sterke cryptografische mogelijkheden die deze computers met zich mee brengen. Zie hier onder een stukje uit Wikipedia:

Om een simpel voorbeeld te geven van een kwantumcomputer ten opzichte van een normale computer kan men zich het als volgt voorstellen als er de volgende vraag wordt gesteld: Er zijn tien deuren en achter èèn ligt een appel, achter welke deur ligt die appel? Ervan uitgaande dat de appel achter bijvoorbeeld deur nummer 8 bevindt, zal de normale computer deur nummer 1 openen, kijken of de appel daarachter ligt en zal daarna de deur sluiten en naar de volgende deur gaan. Dit proces zal de computer herhalen totdat hij de appel heeft gevonden. Een kwantumcomputer daarentegen zal alle deuren tegelijk openen en al na de eerste cyclus de appel achter deur nummer 8 vinden.

Dus het verschil zit hem in het iterative?

Zover ik altijd begrepen had zijn quantumcomputers helemaal niet geschikt voor dagelijks gebuik. De quantumcomputers zijn specifiek heel goed in het uitvoeren van bepaalde taken een beetje zoals nu het verschil is tussen cpu's en gpu's.

De kans dat we direct een all-purpose quantum-processor krijgen op het moment dat de techniek van quantumcomputers toereikend is lijkt me dan ook erg klein.

Of zit ik hier verkeerd mee?

Misschien een uitbreidingskaart. oa voor de AI in games, en netwerkencryptie. Zou ook al vet zijn.

Of voor raytracing technieken

Misschien kan je hem aan je pc koppelen.
Lijkt mij een heel dure "kaart".

en hoe stabiel zo dit atom zijn?

Mits er spanning op staat lijkt het mij vrij stabiel, anders had men het ook niet zomaar kunnen ontdekken lijkt mij. In ieder geval stabiel genoeg om de staat van een molecuul aan te kunnen passen en dat is voldoende.

[Reactie gewijzigd door vgroenewold op 3 juli 2008 12:12]

En wat gebeurt er als je straks per ongeluk tegen je pc schopt?
Dat is een flinke beweging op moleculaire schaal. Zou dat een probleem kunnen vormen?

Geweldig en nu maar hopen dat het echt zo simpel werkt en dat het niet een unieke situatie betreft die men vervolgens niet meer kan reproduceeren.
Het klinkt wel is waar als of het een te herhalen experiment is en als dat echt zo is dan zijn we dus weer een stapje dichterbij de echte quantum computer en een hele nieuwe tak van sport binnen de IT.
Waar intel waarschuwd voor duizende cores in een chip kon een quantum computer die waarschuwing wel eens als een grappige opmerking de boeken in doen gaan, een beetje zo als 640k geheugen is genoeg voor iedereen.
Een quantum computer beperkt zich niet tot 1 en 0 maar kan ook mischien doen en das toch net even anders programeeren gok ik zo

Je kunt nu ook al tussen 0 en 1 (floats), en iets als een if-statement zal toch altijd een 1 of 0 (true, false, ja, nee, wat je wil) nodig hebben. Ik denk dat er qua programmeren niet zo veel veranderd (tenzij je echt diep gaat, bij drivers of zoiets) maar dat het allemaal veel sneller gaat.

Quantum computers will not make regular computers obsolete, just as lasers haven't made light bulbs outmoded

op een ware kwantumcomputer hoef je niet eens meer software te schrijven.
Immers elke software, waar ook in het heelal is een waarschijnlijkheid die al op je computer aanwezig is, van toen, nu tot in de verre toekomst....
geen programmeurs meer dus, sorry.


enne 42 dat issem dus

[Reactie gewijzigd door 83718 op 3 juli 2008 23:32]

Wat probeer je hier te zeggen? Dat het leven/universum ook gebasseerd is op kwantumfysica, en we dus met deze computer de grens van het universum bereiken?

Ik krijg meer de indruk dat ons boerke bedoelt dat alle mogelijke vragen en antwoorden ten aller tijde bekend zijn.... Maar dan nog moet je tussen al die info het juiste vraag-antwoord paar zien te vinden, waar software toch wel weer makkelijk voor is

Ik zeg 42!

Ik ben bang dat we niet eens goede controle krijgen over quantum computers om ze alles te vragen

"If you think you understand quantum theory, you don't understand quantum theory. - Richard Feynman "

Ik vond het al gek klinken, dat 1 en 0 tegelijk.
Toch best een quantum-zin dan.
Ik vat nog steeds niet wat je eraan hebt.

Dus als je het denkt, dan is het niet zo, wat dan als je het weet, niet denkt of gewoon simpel bent zoals ik en het niet snapt en je weet dat je het niet snapt?

Dat is volgens mij het hele probleem van kwantumfysica...
alle mogelijkheden liggen open, alleen de meest waarschijnlijke komen bovendrijven.
Oftewel de optimale puberdroom, een huis met zwembad, en een 80" tv
maar is dat waarschijnlijk?

Of je doet gewoon een beetje je best op school, interesseert je voor deze materie,
studeert af in een of andere natuurkundige studie en bewijs het tegendeel/ of 't gelijk

Nee, zodra je hebt gekeken, is het 1 of 0, maar zolang je niet kijkt, is het alle mogelijke waarden (dus 1 en 0 of misschien zelfs meer)

1 en nul is te vrijblivend, elke waarde die je je maar kan voorstellen is waarschijnlijker (of niet`)

Qubits worden reeds enige tijd toegepast in bewijsbaar veilige communicatie systemen. Achtergrond informatie over operationele research en commerciele quantum systemen is te bekijken op deze link

ik zeg terug naar het model van lang geleden, co-processors!

Insteekkaarten hebben een redelijke snelheids limitatie, kwantum processortje naast onze nieuwe 20x core CPU om het absurde rekkenwerk af te handelen, en hopla!

Al met al is het erg interessant, ik snap er echt helemaal niets van qua werking maar als het echo zo'n grote vooruitgang kan maken voor hoe bepaalde dingen gedaan worden zullen we vast kwantum onderdelen terug gaan zien in de toekomst.