Kwantumcomputers: het onmogelijke binnen handbereik

ING Investment Office
Publicatiedatum: 21 april 2017, 16:00 uur
Sectorcommentaar IT
Kwantumcomputers: het
onmogelijke binnen
handbereik
Computers worden elke dag een beetje sneller. Daar zijn we
inmiddels aan gewend. Zit er een einde aan deze rekensnelheid?
Ja, en nee. De rekensnelheid van klassieke computers is eindig,
maar die van kwantumcomputers lijkt oneindig. Wat zijn
kwantumcomputers en wat zijn de kansen voor beleggers?
Krachtiger, kleiner
en slimmer
Grenzen aan de
rekensnelheid van
de huidige
computers
Computers zijn in de afgelopen 60 jaar in allerlei vormen en maten een
onlosmakelijk deel van ons leven geworden. In die periode zijn computers
veel krachtiger, kleiner en ‘slimmer’ geworden. Deze ontwikkeling gaat
alleen maar sneller, en is steeds meer zichtbaar in het dagelijks leven
door mobiele apparaten, auto’s en een echte netwerkeconomie.
Miniaturisering is eindig
Computers worden voortdurend krachtiger. In steeds minder tijd kunnen
zij steeds complexere berekeningen maken. Dit komt doordat de
capaciteit van de processors (de centrale rekeneenheid) ongeveer elke
twee jaar verdubbelt. Dit proces is zo constant, dat het zelfs als
wetmatigheid wordt gezien: de ‘wet van Moore’. Hierdoor is de
rekensnelheid van computers exponentieel toegenomen en zijn er nu
dingen mogelijk die tien jaar geleden nog onmogelijk waren. Toch
beginnen de fysieke grenzen van miniaturisering (over 10-15 jaar) in
zicht te komen.
Eric de Graaf is sinds 2013
Beleggingsanalist bij het
ING Investment Office en
verantwoordelijk voor de
sectoren
informatietechnologie en
gezondheidszorg.
Hij heeft 20 jaar ervaring als
aandelenanalist, waarvan
10 jaar bij ING Wholesale
Banking.
Hij studeerde commerciële
economie aan de HES van
Amsterdam en volgde
diverse
beleggingsopleidingen.
Zoektocht naar
andere
rekenmethode
Van bits tot
bytes
Computer bestaat uit miljarden schakelaars
Die beperking komt voor een belangrijk deel door de structuur van de huidige computers. Die bestaan
(simpel gesteld) uit miljarden schakelaars die aan of uit staan en via steeds dunnere draadjes aan elkaar
moeten worden verbonden. Deze schakelaars zijn de basis voor computertaal en voor hoe computers
rekenen. Vooral op dit laatste gebied wordt al jaren gezocht naar een andere, betere, oplossing. De
belangrijkste ontwikkeling op dit gebied is de zogeheten kwantumcomputer. Om uit te leggen wat dit
concept inhoudt, leggen we eerst hieronder uit hoe elke huidige computer in de basis werkt.
Klassieke computer: rekenen met nullen en enen
Een computer is niets meer dan een combinatie van een rekeneenheid (de processor), geheugen en
opslag en de gebruikersinterface (via muis, toetsenbord of scherm). Een processor bestaat ondertussen al
uit miljarden schakelingen (‘bit’, afkorting van ‘binary digit’) die allemaal de waarde 0 of 1 kunnen
aannemen. Ze worden per acht gebundeld tot bytes (‘by eight’), die door ze te combineren een waarde
tussen 0 en 255 kunnen aannemen.
Rekenvoorbeeld
Hoe kun je met 8 schakelaars die een 1 of 0 weergeven, toch 256 getallen maken? Dat kunnen we het best
uitleggen aan de hand van een voorbeeld. Stel je voor: een balk met 8 lampjes, met daarop van onder
naar boven genummerd: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, zoals hieronder. Als je nu het lampje bij de 1 aanzet, is
dit gelijk met het getal 1. Als je nu lampje 1 uitzet, en lampje 4 aan, dan is dit 4. Maar als je lampje 4 en
lampje 1 tegelijkertijd aanzet, dan is dit samen 5! Zo zijn alle mogelijke getallen van 0 (alle lampjes uit) tot
en met 255 (alle lampjes aan) samen te stellen.
Binaire getallen
We kunnen alle getallen hierboven bij elkaar optellen. Bijvoorbeeld: 1+4+8+16+64+128 is 221. Dit is
natuurlijk een vrij omslachtige manier om de berekening te maken. Daarom is er ook een wiskundige
manier, namelijk met machten. Als het laatste lampje (dus de laatste 1 of 0) aanstaat (dus 1 is) dan
gebruik je 20. Als het op 1 na laatste lampje aanstaat gebruik je 21, bij de volgende 22. 1001 wordt dus
23+20, en dat is 9. Er kan nog veel meer gerekend worden met binaire getallen, maar het gaat te ver om
daar in dit artikel op in te gaan.
Rekensnelheid
vele malen hoger
Kwantumcomputer werkt fundamenteel anders
Een kwantumcomputer werkt fundamenteel anders dan een gewone computer. In plaats van alleen een 0
of een 1, kan een bit ook elke tussenliggende waarde hebben. Zo’n bit noemen we dan niet meer een bit,
maar een qubit: een ‘quantum bit’. Deze qubit kan een waarde 1 of 0 hebben, maar bijvoorbeeld ook voor
de helft een waarde 0 en voor de andere helft een waarde 1. Alle verdelingen zijn mogelijk, alleen weet je
van tevoren nooit hoe deze verdeling in elkaar zit en dus ook niet welke waarde een qubit heeft. Doordat
een qubit meerdere waarden tegelijk kan hebben (dit heet ‘superpositie’), kan een kwantumcomputer ook
meerdere berekeningen tegelijk uitvoeren. In het plaatje hieronder een schematische weergave van een
gewone bit en een qubit.
Bron: University of Strathclyde, juli 2012
Aantal mogelijke
posities stijgt
exponentieel
Statistische
berekeningen zijn
hulpmiddel
Van één, naar
meerdere
rijbanen
Rekenen met meerdere waarden tegelijk
Superposities maken het mogelijk om met een heleboel waarden tegelijk te rekenen. Voor één qubit zijn
dat twee waarden: 21, 0 en 1, voor drie qubits zijn dat acht verschillende waarden: 23. Voor tien qubits zijn
dat al 1024 verschillende waarden: 210. In wiskundige termen: het aantal verschillende waarden dat een
superpositie tegelijk kan bevatten is exponentieel ten opzichte van het aantal qubits en dat is precies waar
de extra rekenkracht van de kwantumcomputer zijn oorsprong vindt. Een computer met ‘slechts’ 300
qubits zou al evenveel mogelijke posities hebben als alle atomen in het universum…
Qubit is niet zomaar uit te lezen
Een qubit kan niet zomaar uitgelezen worden. Als je de toestand van de bit namelijk probeert te meten zal
hij een enkele waarde aannemen, en vervalt de superpositie – zo zijn de regels van de
kwantummechanica. Het gaat te ver om dat in deze publicatie uit te diepen, maar gelukkig kunnen we wel
door statistische berekeningen een oplossing vinden. Door dezelfde berekening meerdere malen uit te
voeren en bovendien allerlei wiskundige wetmatigheden in de berekening te betrekken kan je er mee
rekenen zonder de uitkomst daadwerkelijk ‘gezien’ te hebben.
Astronomische snelheden binnen bereik
Doordat een kwantumcomputer berekeningen naast elkaar kan uitvoeren, heeft deze computer dus een
veel grotere capaciteit. Een berekening waar onze huidige computers enorm veel tijd voor nodig hebben,
kan een kwantumcomputer in een fractie van deze tijd afronden. Vergelijk het met een weg met slechts
één rijbaan (de klassieke computer) of een weg met een groot aantal rijbanen naast elkaar (de
kwantumcomputer). Als de qubits gecombineerd worden, komen astronomische snelheden binnen bereik.
Het ontrafelen van een encryptie waar een supercomputer een miljoen jaar voor nodig heeft, kan een
kwantumcomputer in een uur.
Heel veel
toepassingen,
van DNAonderzoek tot
autonome auto’s
Beveiliging van
versleutelingen is
een uitdaging
Ontwikkeling kan
interessant zijn
op de lange
termijn
Extreem snelle computer
Afgezien van heel veel technische problemen die deels nog moeten worden opgelost, kun je met een
kwantumcomputer in theorie op een minuscuul oppervlak, met geringe energieconsumptie, een extreem
snelle computer bouwen. In eerste instantie kan daarbij gedacht worden aan berekeningen voor complexe
zaken als klimaatvoorspellingen, encryptie, kunstmatige intelligentie, DNA- en proteïneonderzoek en
astronomie, maar op de langere termijn ook als toepassing voor meer mondaine zaken als autonome
auto’s, geavanceerde robots en virtual reality.
Nog ver verwijderd van commerciële toepassingen
Hoewel we nog minimaal tien jaar verwijderd van een commercieel haalbaar product, heeft de
kwantumcomputer de potentie om de gevestigde orde drastisch te veranderen. Denk hierbij uiteraard aan
de complete halfgeleiderproductie-industrie, maar ook aan de computerindustrie, automobielindustrie en
alle producten waar computers een rol bij spelen. Een groot potentieel maatschappelijk en
veiligheidsprobleem is de versleuteling van data. Met een kwantumcomputer is het in theorie een fluitje
van een cent om alle gangbare versleutelingen (encryptie, bijvoorbeeld gebruikt door berichtendienst
WhatsApp) te ontcijferen, met alle gevolgen van dien.
Welke bedrijven maken progressie en wat is een realistisch tijdpad?
Los van toepassingen voor wetenschappelijk en militair onderzoek, richt een groeiend aantal bedrijven
zich op de markt van kwantumcomputers. De belangrijkste namen zijn: IBM (IBM Q), D-Wave Systems,
Quantum Circuits, Rigetti en IonQ. Daarnaast zijn bedrijven als Google en Microsoft, maar ook allerlei
overheidsinstanties en universiteiten (zoals QuTech in Delft en Berkely), bezig met fundamenteel en soms
praktisch onderzoek. Gezien de technische complicaties lijkt een commercieel product nog minstens tien
jaar weg. Er is dus ook nog geen sprake van een aansprekende omzet of van een bedrijf dat een
beslissende voorsprong heeft genomen. Logische namen om in te investeren zijn er dan ook (nog) niet.
Een eerste stap is om inzicht te krijgen in de mogelijkheden van kwantumcomputers en in een mogelijk
tijdpad van ontwikkelingen. We houden de ontwikkelingen in de gaten en nemen onze bevindingen mee in
onze beleggingsbeslissingen voor de lange termijn.
Disclaimer
Deze beleggingsaanbeveling is opgesteld door Eric de Graaf, beleggingsanalist bij het ING Investment Office en is uitgebracht
door ING Bank N.V. op 21 april 2017, 14:06 uur. Deze beleggingsaanbeveling behelst geen individueel beleggingsadvies maar
slechts een algemene aanbeveling waarop beleggers hun beleggingsbeslissingen mede kunnen baseren en vormt geen
uitnodiging tot het aangaan van welke overeenkomst of verbintenis dan ook. Aan deze beleggingsaanbeveling kunnen geen
rechten worden ontleend. ING Bank N.V., noch enig andere rechtspersoon of onderdeel dat tot de ING Groep N.V. behoort,
aanvaardt aansprakelijkheid voor enige schade in welke mate dan ook, voortvloeiend uit het gebruik van de bovenstaande
beleggingsaanbeveling of de daarin opgenomen informatie. Ontwikkelingen die zich na het opstellen van deze
beleggingsaanbeveling hebben voorgedaan, kunnen van invloed zijn op de juistheid van de in deze beleggingsaanbeveling
gestelde feiten en verstrekte opinies.
Door te klikken op deze link kunt u zien welke maatregelen ING neemt om belangenverstrengeling met betrekking tot
aanbevelingen te voorkomen en te vermijden. Beleggen brengt risico’s met zich mee. De waarde van uw belegging kan
fluctueren. U kunt uw gehele inleg kwijtraken. In het verleden behaalde resultaten bieden geen garantie voor de toekomst.
ING Bank N.V. is statutair gevestigd te Amsterdam, handelsregister nr. 33031431 en staat onder toezicht van de Autoriteit
Financiële Markten (AFM). ING Bank N.V. is onderdeel van ING Groep N.V.