Voor het eerst zijn wetenschappers er in geslaagd om in een individueel atoom informatie op te slaan. Wordt deze techniek op grote schaal toepasbaar, dan kunnen bijvoorbeeld alle woorden die alle mensen die ooit hebben geleefd, ooit hebben uitgesproken, worden opgeslagen in minder dan een gram materie, bijvoorbeeld een suikerklontje.
Atoomgeheugen voor quantum bits
Vergeet de steeds grotere rekenkracht of hoeveelheid geheugen. De grootste vooruitgang in de computertechniek is geboekt in het steeds sneller en compacter opslaan van data. De wat oudere lezers herinneren zich misschien nog de ponskaartmachines. IBM is daar groot mee geworden.
De eerste stap slaat het Rb-atoom aan. De tweede stap perst het foton er in. De derde stap is het opgeslagen, terwijl het door middel van een zwakke laserpuls in de vierde stap wordt uitgelezen.
Een bit op een ponskaart bestaat uit de aan- of afwezigheid van een gaatje dus de informatiedichtheid was niet bijster hoog. Met de komst van magneettape, harde schijven en de moderne solid-state geheugens is de informatiedichtheid werkelijk geëxplodeerd. Op de beste magnetische harde schijven vandaag de dag zijn de magnetische gebiedjes honderd bij honderd nanometer, dat is rond de duizend atomen lang en breed, groot.
Met een nieuwe techniek zijn nu echt geheugens op atoomschaal gerealiseerd. Sterker nog: het atoom slaat de weerbarstige qubits, kwantumbits op wat nog veel grotere mogelijkheden voor berekeningen geeft. Niet alleen zullen kwantumcomputers veel sneller zijn dan bestaande computers, ze worden dus, zo lijkt het, ook nog eens veel kleiner.
Hoe werkt het systeem?
Het systeem dat ontwikkeld is door Holger Specht en zijn collega’s aan het Max Planck Instituut voor Quantum Optiek in het Duitse Garching propt de kwantuminformatie van een gepolariseerd lichtdeelte (foton) in een rubidiumatoom en weet het later uit te lezen.
Hierbij wordt het lichtdeeltje met het rubidiumatoom opgesloten in een holte waar het lichtdeeltje heen en weer kaatst. In ongeveer negen procent van de gevallen is dat lang genoeg om het rubidiumatoom de energie (en kwantuminformatie) te laten opslaan. Het atoom slaagde er in de quantumbit voor 180 microseconden op te slaan. Extreem kort, maar voor een computer een eeuwigheid: op de pc waar ik op werk is deze tijd bijvoorbeeld voldoende om honderdduizenden bewerkingen uit te voeren.
Het atoom moet eerst met een zwakke laserstraal in de juiste aangeslagen toestand worden gebracht, waarna het het foton op kan slokken. Met een tweede laserpuls wordt het atoom er toe gebracht het foton met de kwantuminformatie weer af te staan. Specht denkt dat hij de opslagtijd zelfs kan vergroten tot enkele seconden. Toepassingen zijn onder meer een quantum repeater, een soort versterker om kwantuminformatie over langere afstanden te kunen transporteren. Er zijn meerdere onderzoeksgroepen in de race om het ultieme kwantumgeheugen te ontwikkelen, maar toch is dit een zeer veelbelovend resultaat.
Een netwerk met memristors kan in recordtijd een ingewikkeld doolhofprobleem oplossen. Domweg door er stroom op te zetten. Betekent dit een doorbraak met volkomen nieuwe typen computers?
Doolhofproblemen zijn vaste prik in menig puzzelblad.
Zo vertaalt de memristive processor een doolhof in een configuratie van memristor. Overal waar in het doolhof poorten zitten, geleidt de schakelaar stroom.
De puzzelaar moet de kortste route zien te vinden door een onontwarbaar kluwen van vaak doodlopende gangen. Sommige doolhofproblemen bevatten tot tienduizenden vakjes waar een potentiële route door kan lopen. De complexiteit van echt grote doolhoven neemt exponentieel toe, want elk algoritme gaat uit van het afzoeken en doorrekenen van elk pad. Het resultaat: dit groeit bestaande computers al snel boven het hoofd.
Twee onderzoekers hebben nu een manier bedacht om Moeder Natuur het denkwerk te laten doen. Elektrische stroom bestaat namelijk uit elektronen die altijd de weg van de minste weerstand proberen te vinden. Dat is in een effen materiaal doorgaans de kortste route.
Memristors: hersencel-achtige elektronica
Er bestaat een type elektronisch onderdeel dat net als hersencellen als het ware onthoudt dat (en hoe lang) er elektrische stroom doorheen is gegaan: de memristor. Een memristor is tegelijkertijd een weerstand en geheugenelement: hoe langer er stroom doorheen loopt, hoe kleiner de weerstand wordt. Het bestaan van memristors is al in 1970 voorspeld, maar de eerste werkende memristor werd pas rond het jaar 2000 gebouwd. Onderzoekers Yuriy Pershin van de Universiteit van South Carolina en Massimiliano di Ventra van de Universiteit van Californië, San Diego zijn pioniers in het onderzoeksveld waarbij memristors in computerchips in worden gebakken.
Om het doolhofprobleem op te lossen, simuleerden Pershin en Di Ventra een chip die bestaat uit een rooster van memristors en schakelaars, zie schema. Door schakelaars om te zetten creëren ze een doolhof. Elke verbonden schakelaar is een doorgang in het doolhof. De doolhof is letterlijk met één druk op de knop op te lossen. Door stroom te zetten op de ingang en uitgang ontstaat een stroom over het kortste traject, deze stroom zet de memristors om en vervolgens kan je het traject door de memristors aflezen.
Beide onderzoekers denken dat het met een vergelijkbare techniek ook mogelijk is om menselijke denkprocessen na te bootsen en in ieder geval computers veel ‘slimmer’ te maken dan ze nu zijn. Het denkwerk vindt niet meer plaats in een enkele processor, maar door de hele chip tegelijk. Ook voor probleemoplossing is deze benadering heel interessant. We zijn vaak niet geïnteresseerd in de best mogelijke oplossing, een heel goede oplossing voldoet al. Een totaal nieuw type computer kent waarschijnlijk heel andere sterke en zwakke punten dan de tegenwoordige. Omdat we zelf kunnen kiezen welk type we wanneer gebruiken, kunnen we dus op het gebied van informatieverwerking veel meer dan nu.
Goed nieuws voor hen die zich zorgen maken over het exploderende energiegebruik van stroomvretende computers en serverparken. Omkeerbare rekenlogica kan in theorie het energieverbruik van een computer terugbrengen tot nul. Helaas zitten er nog heel wat haken en ogen aan het in de praktijk brengen van dit idee, maar de gevolgen zouden enorm verstrekkend zijn. Ook in de verre toekomst. Leven kan dan namelijk bestaan zonder energieverbruik…
Computers slechts voor 0,000001% efficiënt
Op dit moment is de discussie academisch. Op dit moment wordt slechts een honderdmiljoenste deel (dat is een één met acht nullen er achter) van het totale vermogen van een computer gebruikt om de daadwerkelijke berekening te produceren. De rest is in feite overbodig: weerstand, bewegende mechanische onderdelen en dergelijke.
Rekenen, wanorde en warmte
Informatie staat gelijk aan wanorde (entropie, zegt een natuurkundige). Een maat voor wanorde is namelijk hoeveel informatie je nodig hebt om een systeem te beschrijven.
Je kan een bak met een laag van duizend witte knikkers onder een laag van duizend zwarte knikkers in minder woorden precies beschrijven dan een bak waarin de zwarte en witte knikkers lukraak door elkaar liggen. Anders geformuleerd: stel dat je bak met knikkers een bepaalde boodschap bevat, bijvoorbeeld in morse-code. waarbij één zwarte knikker staat voor een punt en twee zwarte knikkers voor een streep. Hoe langer de boodschap in je bak, hoe wanordelijker de knikkers door elkaar lijken te liggen.
Het verband gaat nog dieper: de entropie is maximaal als je je informatie optimaal gecomprimeerd hebt. Vandaar dat het begrip entropie niet alleen in de natuurkunde, maar ook in de informatietechniek opduikt.
Vallende suikerkorrel drijft pc aan
Hoe kleiner computers worden, hoe dichter de thermodynamische limiet wordt benaderd, dus een hoe groter percentage van alle energie die een computer gebruikt, daadwerkelijk in een berekening terecht komt. Stel je bereikt die limiet, dan kan je een computer met het rekenvermogen van een moderne pc laten lopen op minder dan een microwatt vermogen (het vermogen dat nodig is om een flinke suikerkorrel in de lucht te houden). Je zou dan door te trappen op een hometrainer een tiende van alle pc’s in de hele wereld van energie kunnen voorzien.
De enorme supercomputer Columbia van NASA slurpt nu nog megawatts aan energie. Dit wordt anders, stellen informatietheoretici Himanshu Thapliyal en Nagarajan Ranganathan.
Houd je vast. Je kan namelijk het energieverbruik terugbrengen tot precies de informatieinhoud van het eindresultaat door vanuit alle resultaten waar je niets aan hebt, weg te gooien. Ja, u leest het goed. Een energietechnisch gezien gratis berekening. Vergelijk het met een magische fabriek waar je afval ingooit en kant en klare auto’s, kleding en huisraad voor terugkrijgt (en alleen het energieverschil tussen het afval en de producten hoeft te betalen).
Terugrekenen en logisch omkeerbare poorten
Het geheim: inverse computing, terugrekenen. Dat kan met omkeerbare logische poorten (logische poorten zijn de basiselementen van iedere computer).
Op dit moment bestaan die omkeerbare poorten (m.u.v. de NOT-poort) nog niet. Een eis aan een omkeerbare poort is dat deze geen informatie weggooit. Standaard logische poorten zoals die in bestaande computers (bijvoorbeeld een OR-poort, die ‘waar’ zegt als ingangssignaal 1 of ingangssignaal 2 waar zijn) gooien informatie weg: stel je weet dat een OR-poort ‘waar’ zegt, dan weet je niet of de poort ja zegt omdat ingangssignaal 1 waar is of omdat inganggsignaal 2 waar is. Die informatie is verloren gegaan, weggegooid. Je kan dan niet meer terugrekenen. Al onze bestaande poorten gooien informatie weg en zijn dus onbruikbaar voor reverse computing.
Logische poorten
De computers zoals wij ze kennen doen in feite niets anders dan bits, die elk bestaan uit een nul of een één, met elkaar vergelijken. Dat vergelijken gebeurt in logische poorten. In de chips van een pc zitten er vijf: AND, OR, NOT, XOR en XNOR.
Een AND (en)-poort geeft een 1 (waar) als de eerste en de tweede bit allebei 1 (waar) zijn. Anders een nul (onwaar).
Een OR (of)-poort geeft een 1 als de eerste bit, de tweede bit of allebei bits 1 zijn.
Een XOR (exclusive OR, wat wij in het dagelijks leven met ‘of’ bedoelen) geeft een één als de eerste bit verschilt van de tweede bit (dus nul en een of een en nul), anders een nul.
De XNOR (exclusive not or) geeft juist een 1 als beide bits aan elkaar gelijk zijn en anders een nul.
De NOT-poort, tenslotte, kent maar één bit als invoer en keert die om. Dus nul wordt één en andersom. Bij alle poorten met uitzondering van NOT wordt er dus informatie weggegooid, je kan niet terugrekenen.
Foutcorrectie
Door de beginwaarden terug te berekenen van het eindresultaat kan wordt getoetst of de berekening wel klopt. Dat kan met inverse logische poorten. Goed nieuws is dat voor kwantumcomputers inverse poorten toch al vereist zijn. Het lijkt er dus op dat met de komst van kwantumcomputers we foutcorrectie en nul energieverbruik gratis meekrijgen.
Verre toekomst
Als alle sterren zijn opgebrand en er nauwelijks of geen vrije energie meer is, kan intelligent leven dus toch nog voortbestaan. In deze virtuele wereld zou het ervaren doorgaan alsof we nog in een reële wereld leven. Wel voor een prijs: er zou gemeten over de tijd niets veranderen, de kwantumstaat zou altijd hetzelfde blijven. Het leven zou voor eeuwig slapen tot het door een bepaald proces, een reiziger uit een ander heelal misschien, uit zij slaap wordt gewekt.
