Proof-of-concept voor quantumharddisks gedemonstreerd

Onderzoekers hebben een proof-of-concept uitgevoerd waarmee ze de haalbaarheid van een quantum-harde schijf willen aantonen. De onderzoekers gebruikten vier qubits, maar dat zou kunnen worden uitgebreid naar meer.

De onderzoekers van het California Institute of Technology, ofwel Caltech, stonden onder leiding van H.J. Kimble en publiceerden hun resultaten in het tijdschrift Nature. Daarin beschreven de Caltech-medewerkers hoe ze gegevens uit een netwerk van quantumdeeltjes wisten te lezen. Vervolgens stuurden ze de gegevens over een optisch kanaal. De quantuminformatici gebruiken qubits van vier quantumdeeltjes, maar zeggen dat het systeem arbitrair schaalbaar is.

Dagelijkse toepassingen voor de quantum-harde schijf zullen nog even op zich laten wachten, maar zouden uiteraard beperkt blijven tot quantumcomputers; de techniek is niet geschikt voor consumenten-pc's. De vier quantumdeeltjes, die ieder uit één miljoen cesiumatomen bestaan, worden met lasers gekoeld. De collectieve spin van de cesiumatomen wordt met een laser geregeld door middel van een proces dat laser beam encoding wordt genoemd. Op die manier worden de quatumtoestanden van de vier quantumdeeltjes verstrengeld. De measurement induced entanglement, ofwel de door de meting veroorzaakte verstrengeling, wordt dankzij een wisselwerking tussen laser en elektronenspin ook in de laser geëncodeerd. Die kan vervolgens over een optisch kanaal worden getransporteerd en uitgelezen.

In een vorig experiment waarbij dergelijke verstrengelingstechnieken werden gebruikt was het aantal qubits, of quantum bits, beperkt tot twee. De Caltech-onderzoekers denken dat in plaats van vier quantumdeeltjes, verantwoordelijk voor evenzoveel qubits, een arbitraire hoeveelheid quantumdeeltjes kan worden verstrengeld. Vervolgens zou hun data kunnen worden uitgelezen en getransporteerd. De onderzoekers werken aan meer onderdelen voor quantumcomputers. Hun volgende stap betreft de manier waarop de verstrengeling verloren gaat.

Reacties (41)

Erg leuke ontwikkeling! Alleen vraag ik me dan af hoe groot 4 qubits nu zijn, ten opzichte van onze ouderwetse MegaByte...

qubit is naar mijn weten gewoon de grootte van 1 bit, maar die kan dus tegelijkertijd 0 en 1 zijn.

Is het niet zo dat qubits 1 en 0 en alles wat er tussen in ligt als waarde kan aannemen?
In ieder geval, wat ik hier en daar gelezen heb over quantum computers is dat ze niet met 1 of 0 werken maar met 1, 0 en alles wat daar tussen ligt dus ook 0,52 of 0,84 om maar wat voorbeelden te geven..

Om even voor de volgende lezers een simpele uitleg te geven:
Er zijn 8 deuren.. achter 1 van deze deuren ligt een appel.

Een gewone computer:
open deur 1.... niks
open deur 2.... niks
open deur 3.... niks
etc. totdat hij de appel heeft gevonden.

Een quantum computer:
Ik open alle deuren tegelijk en vervolgens zegt hij waar de appel ligt.
(uitleg komt ergens van wikipedia af)

Wat je dus zou kunnen doen is een database aanleggen waarin staat wat voor (huidige tijd) bitreeks bij wat voor qubit waarde hoort. Dan hoef je maar 1 qubit uit te lezen om een groot stuk "code" uit te voeren, tog?

Ik weet niet of dit correct is maar dit is wat mijn begrip was voor quantumcomputer.

Is het niet zo dat qubits 1 en 0 en alles wat er tussen in ligt als waarde kan aannemen?

Niet helemaal. De quantum staat van een qubit beschrijft de kans dat hij 0 is en de kans dat hij 1 is. Deze kans kun je echter niet direct uitlezen! Bij het uitlezen zul je altijd een 0 of een 1 terugkrijgen. Welke van de twee je krijgt hangt van die kans af. Na het uitlezen is de staat vernietigd, dus je kunt 'm ook niet meerdere keren uitlezen om op die manier de kans te benaderen (je zult dan de gehele berekening opnieuw uit moeten voeren). Ook kun je een quantum staat niet kopiëren. Je kunt 'm wel verplaatsen naar een ander deeltje, maar de staat van het origineel gaat daarbij verloren.

Het wikipedia-voorbeeld is een nogal versimpelde weergave van de werkelijkheid. Wat daar gesuggereerd wordt kan namelijk eigenlijk niet echt. Zoals ik hierboven al aangaf, bij het uitlezen dwing je de bits in een bepaalde toestand. In het voorbeeld met de deuren kun je dus als antwoord krijgen "ja hij zat erachter" en "nee hij zat er niet achter", afhankelijk van of er toevallig de goede deur is gekozen. En als het antwoord ja is (waarvan de kans vrij klein is, er was immers maar 1 juiste deur tov veel meer onjuiste deuren) dan weet je alsnog niet welke deur het was.

Wel heb je bepaalde algoritmes waarin een dergelijk idee wordt toegepast (zoals die van Shor voor de factorisatie van getallen), maar dan wordt er gebruik gemaakt van een quantum fourier transformatie. Een hoop wiskunde, maar versimpeld uitgelegd met het deurenvoorbeeld transformeer je de vraag "zit hij achter deze deur" naar "zit de juiste deur bij deze verzameling deuren" (klopt in werkelijkheid niet helemaal, maar ligt een stuk dichter bij de werkelijkheid dan het originele voorbeeld). En die verzameling maak je door een set qubits in een superpositie te brengen waarin elke deur met evenveel kans voor kan komen. Dan moet je alsnog gaan zoeken, maar dat kan dan een stuk sneller. Je maakt bijvoorbeeld eerst een verzameling van de eerste helft deuren. Zit hij daarbij, dan halveer je die verzameling. Zit hij er niet bij, dan weet je dat ie in de andere helft zit, en halveer je die verzameling. En dat herhaal je tot je nog maar 2 deuren over hebt. Waar een conventionele computer dus alle N deuren moet aflopen tot ie 'm vindt, hoeft een quantum computer maar ²log N vragen te stellen. Om een idee te geven van de schaalbaarheid hiervan, bij 1000 deuren hoef je dus maar 10 vragen te stellen, en bij 1.000.000 maar 20.

[Reactie gewijzigd door .oisyn op 25 november 2010 22:35]

Ik snap het niet. Als je dus iets uitleest, wordt het ook gelijk verwijderd?
Als die dan van de 1000 deuren, de ene 500 pakt, en hij krijgt terug van: ja daar zit ie in. Wordt het vervolgens allemaal verwijderd? Dan heb je er toch niks meer aan? Dan heeft zo'n ubercomputer toch ook geen zin meer?

De quantum superstaat wordt vernietigd ja. Feitelijk neemt hij een waarde aan zodra je 'm observeert.

Dan heb je er toch niks meer aan?

Waarom niet? Dan weet je toch in welke helft het antwoord zit? Vervolgens stel je de vraag opnieuw met de helft van die helft. Dus eerst weer een quantum superstaat maken die die kwart van de deuren voorstelt, etc.

Bedankt voor je uitleg, maar ik denk dat hij geen verschil zag tussen "waarde" en "superstate".

Super-state is een status die een waarde heeft, maar de waarde is toch iets compleet anders.

De Superstate waar in qubits mee gerefereerd word is niet simpel uit te leggen, maar het is eigenlijk de "zwevende mogelijkheid."

Stel je zegt in een zin:
"De superstate van die qubit is 5", dan praat je poep.
Want de superstate houdt in dat je niet weet welke waarde het heeft, want het is nog NIET in de beantwoordende phase terechtgekomen.

Vergelijking:
"De superstate dwong de qubits een waarde van 5 aan te nemen, wanneer er om een antwoord werd gepolled."
"De waarde wàs "niet-achter-die-deur"."
"De cesiumatomen werden opnieuw in de superstate gedrukt om te wachten tot ze weer worden vernietigd.."

Ik zie het al helemaal voor me. Binnenkort op de basisschool tijdens spellingslessen zulke zinnen XD.

Maar ik geloof dat het gros van de gemeenschap nu wel weet hoe een qubit word uitgelezen, maar nog niemand snapt kennelijk hoe die qubit die waarde kreeg?

Ik snap het niet. Als je dus iets uitleest, wordt het ook gelijk verwijderd?
Beetje offtopic: dat is bij standaard computergeheugen ook al het geval. Bij het uitlezen moet de oorspronkelijke waarde weer worden teruggeschreven.

Wat de waarde van een qubit is voordat je hem "bekijkt" is een uitermate ingewikkelde theoretisch vraagstuk. Op het moment dat je hem "bekijkt" is er een kans x % dat je een waard van een 1 krijgt en een kans 100-x % dat je 0 krijgt. Er zijn dus precies evenveel waarde die je kan krijgen zodra je een qubit uitleest als een normale bit maar voordat je de qubit "bekijkt" kan een qubit in oneindig veel verschillende toestanden zijn (correct me where I'm wrong).

Je bent idd de enige van de bovenstaande 4 posters die het begrepen heeft.

Een qubit is in feite gewoon een bit. Niet iets dat 3 waarden aan kan nemen oid. Wel kun je meerdere waarden tegelijk in een bit encoderen, die je dan vervolgens niet uit kan lezen, maar waar je wel mee kan rekenen.

Het aantal waarden dat je in een aantal qubits kunt encoderen neemt exponentieel toe met het aantal qubits. In een enkele qubit kun je twee waarden tegelijk zetten: 0 en 1. Maar bij 2 qubits kun je in totaal 4 waarden tegelijk kwijt: 00, 01, 10 en 11. Voor N qubits kun je dus 2^N waarden tegelijk kwijt (met voor elk van die waarden een specifieke kans dat de set qubits die waarde aanneemt als je 'm uitleest). Dit in tegenstelling tot gewone bits - in groepje van N bits kun je idd in totaal 2^N verschillende waarden representeren, maar niet tegelijk.

[Reactie gewijzigd door .oisyn op 25 november 2010 22:11]

De essentie van QM in het algemeen en qubits in het bijzonder is niet dat het 1 en 0 en alles daartussen kan zijn, of hoeveel kans er is of hij 0 of 1 is, maar het gaat erom dat hij VOORDAT de waare wordt uitgelezen daadwerkelijk 0 en 1 TEGELIJK is (onbepaald).

Dit betekent bv als een "normale" byte alle waardes af zou moeten lopen om de juiste (0-255) waarde te vinden, een qubyte dat (theoretisch) in een keer kan zien. Omdat al z'n qubits 0 en 1 tegelijk zijn en de qubyte dus 0 t/m 255 tegelijk is. Kortom alle mogelijkheden zijn tegelijk aanwezig en de juiste valt eruit zonder het iteratief te moeten nalopen.

Hoe dit allemaal in de praktijk toegepast kan worden is nog in ontwikkeling.

De essentie van QM in het algemeen en qubits in het bijzonder is niet dat het 1 en 0 en alles daartussen kan zijn, of hoeveel kans er is of hij 0 of 1 is, maar het gaat erom dat hij VOORDAT de waare wordt uitgelezen daadwerkelijk 0 en 1 TEGELIJK is (onbepaald)

Quantum superstaat heeft alles te maken met kansen. De golffunctie is de functie die voor elke mogelijke staat de kans beschrijft dat hij die staat is. Deze kansen zijn te manipuleren, maar niet uit te lezen. Op het moment dat je 'm uitleest vervalt de superstaat.

Maar idd, wat ik niet expliciet erbij heb gezegd is dat de staat niet iets is dat wel bestaat maar wat wij simpelweg niet weten. Als je met een dobbelsteen gooit en vervolgens niet naar het resultaat kijkt weet je wel dat de kans 1/6e is dat je 6 hebt gegooid, maar in werkelijkheid heeft de dobbelsteen wel al een waarde aangenomen. Dit is niet zoals de quantum superstaat werkt; een quantum dobbelsteen is alle 6 de uitkomsten tegelijk, totdat we 'm observeren en hij een unieke waarde aanneemt.

[Reactie gewijzigd door .oisyn op 26 november 2010 12:06]

een qubit is 0 1 en 2 3mogelijkheden dus: (3*4)/2=6 bits

EDIT: tikfout

[Reactie gewijzigd door Edek op 25 november 2010 17:29]

Nou omdat het zowel 1 als 0 kan zijn is het eigenlijk dus 2 keer zo groot. 1000 qubits slaat dus 2000 "oude" bits op.

2^4 mogelijkheden met normale bits (16)
3^4 mogelijkheden met qubits (81)

Hoe zit het met het uitlezen van de qubit. Naar mijn weten veranderde de waarde op het moment dat je de qubit uitleest. Hierdoor zou de techniek totaal niet geschikt zijn voor harde schijf toepassingen.

Dit was natuurlijk wel eind 2005, das zolang geleden:
bron: Technology Research News
Quantum computing: qubits
Quantum bits, or qubits, are the quantum equivalent of the transistors that make up today’s computers. In order to carry out the logic of computing, there must be some way to represent the 1s and 0s of computer information. The many candidate qubits all have one thing in common - the ability to switch from one state to a second state. These states are used to represent binary information.

Qubits use properties of one of four types of quantum particles: photons, electrons, atoms and ions. Photons do not interact with each other very well but they travel easily from one place to another, which makes them appropriate for transmitting quantum information. Electrons, atoms and ions don't travel well but readily interact, which makes them appropriate for storing and processing quantum information.

En nog een mooi stukje (weten we gelijk waarom onderzoek zoveel kost ;-) ):
Now a qubit, or quantum bit, is like a bit. It could be any particle--a photon, atom, electron, or subatomic particle, and it has two states, on and off. Now the twist is that, until observed, a qubit can be both "on" (1) and "off" (0)—at the same time!

For every three normal bits, we can only represent one number, but three qubits can represent all eight numbers at the same time. Because each qubit can exist in both possible states (1 and 0) at the same time, three qubits can represent all possible configurations of the three bits simultaneously, and thus, can represent all 2^3 or eight numbers.

Four qubits can store 2^4, or 16 numbers simultaneously. Five qubits can store 2^5 numbers, or 32 numbers. Ten qubits could store 2^10 or 1024 numbers. A mere 250 qubits could store 2^250 or 1.8 x 10^75 different numbers at once. That’s an 18 followed by 74 zeroes, which is more than the number of atoms there are in the universe!

Despite these impressive numbers, qubits aren’t really more useful than normal bits for data storage. Those same quantum laws that allow an unobserved qubit to exist in two states at once also forces it to "chose" one random state when it is observed. Therefore, that same string of qubits that, when unobserved, can represent more numbers than atoms in the entire universe, when observed…only shows one. One random number.

Now this sounds pretty useless. You have this fancy little qubit that holds tons of information but only shows a random number—when observed.

[Reactie gewijzigd door Nightjar op 25 november 2010 22:09]

de techniek is niet geschikt voor consumenten-pc's.

als de techniek zich blijft ontwikkelen zouden uiteindelijk consumenten-pc's toch ook gewoon quantum computers worden?

Volegns mij is deze techniek alleen handig voor specifieke rekentaken.

Koelen met een laser, hoe gaat dat in zijn werk? Ik dacht dat je alleen energie toe kon voegen?

Leef je uit: http://nl.wikipedia.org/wiki/Laserkoeling

Volgens mij gaat het niet zozeer om grootte maar juist om de mogelijkheden voor efficiënte berekeningen van quantum computing zelf (en dus ook bijv. het entanglen van verschillende qubits).

de techniek is niet geschikt voor consumenten-pc's

Dat lijkt me nogal een voorbarige conclusie

NOG niet lijkt me inderdaad een betere voorlopige conclusie gebaseerd op hetgeen we nu weten

Wat bedoeld wordt met consumenten-PC's is eigenlijk conventionele PC's. En die hebben idd niets aan qubits. Nu niet, nooit niet.

81 bits ipv 16 das stukken beter

Nee, het blijven 4 bits, maar met 4 bits kan je 81 mogelijkheden weergeven in plaats van de gebruikelijke 16. Eigenlijk zijn het dus trits in plaats van bits .

Zou dat niet terts zijn dan? Tertiar ipv binair?

Zou dat niet terts zijn dan? Tertiar ipv binair?

Nee. Trinair ipv binair. Tertiair betekent gewoon derde.

maar met 4 bits kan je 81 mogelijkheden weergeven in plaats van de gebruikelijke 16

Nonsens. Met 4 qubits kun je 16 verschillende mogelijkheden tegelijk encoderen. Met 4 gewone bits kun je maar 1 van de 16 mogelijkheden encoderen.

Op een quantum Blu-Ray zou je dus elke mogelijke uitgebrachte film kunnen zetten. Probleem echter, zodra je die uitleest dan valt de quantum staat ineen en wordt er 1 van de mogelijkheden aangenomen. Als je de quantum Blu-Ray afspeelt zie je dus een willekeurige film, en daarna blijft het ook die film

Maar dat is toekomstmuziek, voorlopig moeten we het doen met een hardeschijf met welgeteld 4 qubits

[Reactie gewijzigd door .oisyn op 25 november 2010 22:32]

Ah, nu snap ik het. Duidelijke uitleg

Wat mooi is, want ju kunt iemand een film kado geven, zonder dat je weet wat voor films hij leuk vindt. Kan ie zelf kiezen, de 2025-versie van de platenbon. Ik zie mogelijkheden.....

Quantum hdd's, die had ik 15 jaar geleden al (Quantum Bigfoot 5.25'')

Net als de genoemde Quantum HDD's in het artikel waren de Quantum Bigfoot HDD's eigenlijk ook niet geschikt voor consumenten PC's

ha ha, lachen

Wat een luxe... ik had een Quantum 52MB op mijn A2091 Amiga SCSI adapter Die waren toen net geupgrade van de 40MB.

Ja, zo een ligt hier ook (dood uiteraard, dat was een 'feature'). Om aan mensen het binnenwerk te laten zien.

naast HOE dit werkt (waar ik echt geen snars van snap)
wat is het voordeel ervan? wat is er zo geweldig aan?
naast dat quantum natuurlijk ontzettend stoer klinkt

HEt is ook lastige materie imho.

Wat ik nog van quantum mechanica weet (als ik het me goed herinner hoe Stephen Hawking's uitleg was in a Brief History of Time) is dat het basisprincipe is dat hele kleine deeltjes zoals electronen bij meting hinder ondervinden van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg.

Dat betrof volgens mij de locatie en de snelheid van een deeltje (correct me if I'am wrong). Hoe nauwkeuriger je de positie van een deeltje wil bepalen (door de golflengte omhoog te gooien en hiermee het oplossend vermogen) hoe meer invloed je MET de meting hebt op de beweging van het deeltje.
Zo blijf je dus altijd met een onzekerheid zitten, afhankelijk van hoe je het deeltje "bekijkt" is of beweging OF positie onnauwkeuriger.
Je kon echter wel een voorspelling doen of de staat die het electron ZOU krijgen.

Hoe dit alles precies in quantum computing past is mij nog niet geheel helder.

edit: maar volgens mij moet ik iets gaan lezen over quantumverstrengeling.

[Reactie gewijzigd door lenny_z op 26 november 2010 13:08]

De eerste microprocessors konden een beetje optellen met tupels van binaire cellen, die in bijbehorend geheugen stonden.

Om dat te kunnen gebruiken, waren er wat instructies 'ingebakken', die je via schakelaars en later coderingsbordjes moest invoeren. Dat werd later dan assembler code en toen volgden de hogere programmeertalen.

Ik krijg het idee dat de quantumcomputer nog in de fase van de 'schakelaars' zit en ben erg benieuwd hoe die straks geprogrammeerd gaan worden. Is daar al een idee voor?