Wat is een kwantumalgoritme?
Een kwantumalgoritme is een set computerinstructies voor het analyseren van problemen die niet gebaseerd zijn op klassieke wiskundige of probabilistische berekeningen, maar in plaats daarvan de unieke aard van de kwantumrealiteit gebruikt, waarbij een enkele bit gegevens twee tegengestelde waarden kan vertegenwoordigen, zoals zowel één als een nul in binaire logica. In de strikte zin vereist een kwantumalgoritme dat een kwantumcomputer functioneert, die vanaf 2011 niet meer in enige gefabriceerde vorm bestaat. Theoretische informatica heeft echter vanaf 2011 op zijn minst analogen gemaakt met de berekening van de ware kwantumalgoritme, met voorbeelden zoals als de algoritmen Deutsch, Shor en Grover.
Het kwantumalgoritme van Deutsch werd uitgevonden in 1985 en vernoemd naar de Israëlisch-Britse fysicus David Deutsch die aan de Oxford University in het Verenigd Koninkrijk werkt. Het algoritme van Deutsch, zoals de meeste computerinstructies in quantum computing, wordt gewaardeerd vanwege hun vermogen om te fungeren als een soort snelkoppeling naar verwerkingsproblemen en daarom naar het oplossen van problemen op microchipniveau. In standaard probabilistic computing moeten alle mogelijke toestanden voor oplossingen voor problemen een distributiewaarde krijgen en moeten berekeningen worden uitgevoerd om te bepalen welke respons of waarde de hoogste waarschijnlijkheid heeft om correct te zijn. In quantum computing met behulp van het Deutsch-algoritme, wordt elke mogelijke oplossingsstatus gecombineerd in een zogenaamde eenheidsvector die op weg is naar een specifiek type oplossing of staatstransformatie. Dit berust op een principe dat bekend staat als kwantumsuperpositie zoals toegepast in de wiskunde, waarbij naar verwachting oplossingen voor problemen in alle mogelijke toestanden tegelijkertijd zullen bestaan, waardoor de noodzaak van langdurige probabilistische logische verwerking nagenoeg wordt geëlimineerd.
De kwantumalgoritmen van Shor en Grover werken op dezelfde manier, maar zijn ontworpen voor specifieke soorten computerverwerking. Het Shor-algoritme wordt gebruikt voor wiskundige factoring en het Grover-algoritme voor het zoeken naar zinvolle gegevens in geautomatiseerde lijsten of databases die geen definieerbare structuur hebben. Hoewel beide algoritmen worden uitgevoerd op klassieke computersystemen die standaardverwerkingstypes uitvoeren, is aangetoond dat hun ontwerp veel beter is dan klassieke op waarschijnlijkheden gebaseerde algoritmen voor dezelfde soorten taken. Het algoritme van Shor is exponentieel sneller en dat van Grover is kwadratisch sneller, of van een kwadratische waarde sneller dan de standaard computing-methode. Het Shor-kwantumalgoritme is vernoemd naar Peter Shor, een Amerikaanse professor in de wiskunde die het in 1994 ontwikkelde, en het Grover-kwantumalgoritme is vernoemd naar Lov Grover, een Indiaas-Amerikaanse computerwetenschapper die het in 1996 ontwikkelde.
Een van de unieke aspecten van quantum computing is dat berekeningen niet zijn gebaseerd op discrete waarden die willekeurig kunnen worden gescheiden, maar in plaats daarvan in een staat van kwantumverstrengeling bestaan. De standaardwaarden in een berekening komen in een superpositie waarin ze allemaal exponentieel worden gemanipuleerd als amplitudes of waardenbereiken en waarvan gezegd wordt dat elk bit of qubit van informatie met elkaar verward is. Dit maakt elk datapunt afhankelijk van elkaar en niet een discrete waarde zoals bij traditioneel computergebruik, wat de basis vormt voor hoe kwantumalgoritmen zoveel sneller gegevens kunnen verwerken dan traditionele algoritmen.