Quantum computers maken virtuele werelden beter

Als je het technologienieuws een beetje volgt zal het je niet zijn ontgaan dat Google een quantum computer heeft gebouwd. Google is niet de eerste die zo’n machine bouwt, maar wel de eerste die er een maakt waar wetenschappers echt iets mee kunnen doen. Je kan het vergelijken met hoe de Griek Heron van Alexandria zo’n 50 jaar voor Christus al een stoommachine bouwde (de aeolipile), maar de Spanjaard Jerónimo de Ayanz pas in 1606 deze technologie praktisch inzette voor het leegpompen van overstroomde mijnen. Het idee van stoom als krachtbron was er dus al een tijdje, en er waren zelfs machines die het principe demonstreerden, maar pas veel later werd een manier gevonden om het ook daadwerkelijk nuttig te maken.

Belofte

Zo ook met Google’s quantum computer, die voor het eerst de belofte waarmaakt. Een belofte die best complex is en waarvan het heel moeilijk is om je er een dagelijkse verbetering van je leven bij voor te stellen. Quantum mechanica is sowieso iets waar je hoofdpijn van krijgt. Létterlijk hoofdpijn als je probeert te visualiseren wat het nu werkelijk allemaal inhoudt en hoe het werkt.

Voordat ik inga op wat quantum computing voor jou als gamer zou kunnen betekenen, wil ik toch proberen om het uit te leggen. Ik raad je aan om even wat paracetamol klaar te zetten, want we duiken nu een wereld in die op geen enkele manier intuïtief of logisch is.

Een quantum computer werkt totaal anders dan de computer waarop je dit artikel mogelijk leest. Het is een volkomen nieuw apparaat voor het oplossen van complexe problemen. Vergelijk het met hoe een kaars licht geeft en hoe een gloeilamp licht geeft. Beiden bieden ze een oplossing voor het probleem ‘duisternis’, maar de onderliggende technologie is totaal anders. Je kan niet knutselen aan het principe ‘kaars’ om uiteindelijk tot een gloeilamp te komen. Je moet hetzelfde probleem radicaal anders aanpakken om tot een glazen vacuumbol met een gloeidraad van wolfraam te komen.

Bit by bit

Een gewone computer is in essentie een grote bak met schakelingen die allemaal aan of uit kunnen staan. Zo’n schakeling heet een bit, en die is 1 of 0. Ik vertel je hier waarschijnlijk niets nieuws. Je bent bekend met het feit dat computers deze bits gebruiken voor berekeningen en dat ze dankzij het omschakelen van nullen en enen berekeningen kunnen uitvoeren. Ook zal het geen verrassing zijn dat computers in feite domme apparaten zijn die deze berekeningen alleen stap voor stap kunnen uitvoeren. Eerst opdracht één, dan opdracht twee, dan drie, enzovoorts. Op geen enkel moment kan een computer twee opdrachten tegelijkertijd uitvoeren. Hooguit kan een computer de illusie van gelijktijdigheid wekken, door snel tussen verschillende taken te schakelen. Zo lijkt het alsof Pac-Man door het doolhof beweegt terwijl de spoken hun eigen pad volgen. Maar als je naar de computercode zou kijken, zou duidelijk zijn dat elk figuur achter de schermen om de beurt bewogen wordt en dat daarna het resultaat op het scherm wordt getoond.

Vergeef me deze korte inhaalcursus informatica, ik moest dit even op een rijtje zetten om het te hebben over het onderwerp van dit artikel: quantum computing. Want deze machines werken totaal anders. In plaats van schakelaars die aan of uit kunnen staan (bits), werken ze met schakelaars die behalve aan en uit ook tegelijkertijd aan en uit kunnen staan. Dit zijn qubits (een afkorting van quantum bits).

Hier komt de hoofdpijn

De beste vergelijking die ik tot nu toe heb gezien is in een YouTube-filmpje waarin het principe wordt uitgelegd: stel je een euro voor die je omhoog gooit. In de lucht is de euro zowel ‘kop’ als ‘munt’. Pas als je de euro opvangt ligt de uitslag echt vast. De toestand waarin de euro zowel kop als munt is, noemen we de ‘superpositie’. En hier wordt het interessant.

Want hoewel een munt in de lucht voor ons betekenisloos is, is hij dat niet voor een quantum computer. Die is namelijk in staat om berekeningen uit te voeren waarbij al die verschillende toestanden tegelijk worden gebruikt om tot het antwoord te komen.

Stel je voor dat je een getal wilt uitschrijven in twee bits op een gewone computer. Die twee bits kun je opschrijven in de volgende combinaties: 00 01 10 11. Er zijn geen tussenvormen. Twee bits samen lees je uit als die twee bits. 01=01. Maar als we qubits gebruiken, is elke bit niet alleen nul of één, maar kan het ook nul en één tegelijk zijn. Als je twee qubits uitleest, krijg je dus niet twee cijfers terug, maar vier. Want behalve 0 en 1 krijg je ook de uitslag terug voor de superposities.

(Neem nu die paracetamol). Het duizelingwekkende is, dat als je meer qubits gebruikt, je exponentieel meer mogelijkheden terugkrijgt, namelijk 2 tot de macht N, waarbij N het aantal qubits is. Als je tien gewone bits hebt, heb je data bestaande uit tien bits. Bij 10 qubits is de resulterende data 2 tot de macht 10 en dat is 1024 mogelijkheden tegelijkertijd.

Om een lang verhaal kort te maken: als je een berekening doet met een gewone computer, stop je er één nummer in waarmee je een berekening kan maken. In een quantum computer voer je in feite een heleboel nummers tegelijkertijd in, in dezelfde formule. Dat betekent dus dat als je een heleboel uitkomsten tegelijkertijd wilt onderzoeken, je dat dus in één stap kunt doen, terwijl je bij een gewone computer de berekening heel vaak moet uitvoeren.

Zand

Wat betekent dit nu voor jou? Even los van de dingen waar je je toch al geen zorgen over maakt, zoals wachtwoorden en privacy, betekent dit voor games dat de simulatie van de spelwereld en het gedrag van spelpersonages vele malen realistischer kan worden. Stel je een virtuele woestijn voor, zoals in Journey. Hierin wordt zand gesimuleerd via een trucje. De computer tekent een impressie van het zand en hoe de speler daar doorheen loopt. Het is nep, een animatie. Mooi en artistiek: absoluut. Maar het is geen simulatie van hoe zand zich gedraagt. Dat kost namelijk enorm veel rekenwerk. Zonde om daar je computervermogen in te steken wanneer je het ook kunt faken.

Met quantum computing is het mogelijk om met relatief weinig computerkracht het gedrag van individuele zandkorrels te berekenen en daar een zeer realistische weergave van te maken. Omdat een quantum computer zoveel berekeningen tegelijk kan uitvoeren is het dus mogelijk om opeens de natuurkundige regels van een spel enorm realistisch te maken.

Hetzelfde geldt voor het gedrag van personages. Quantum computings grote kracht is de analyse van heel veel gegevens en mogelijke uitkomsten. Dit is ook de grote kracht van ons menselijk brein. We zijn in staat om heel veel informatie tegelijkertijd te verwerken, daarvan te leren en gedrag op te baseren. Dat vermogen om zoveel dingen tegelijk te kunnen zien zorgt er voor dat kunstmatige intelligentie steeds meer gaat lijken op ‘organische’ intelligentie. Het is niet onwaarschijnlijk dat we over een jaar of tien natuurlijke gesprekken kunnen voeren met personages in spellen, zonder dat deze gesprekken van te voren door de makers zijn opgenomen.

Cloud

Ik beweer overigens niet dat de volgende generaties spelcomputers quantum computers zijn. Veel waarschijnlijker is dat bepaalde onderdelen van een computergame straks in de cloud worden berekend, ongeveer zoals Microsoft beloofde (maar nooit waarmaakte) met Crackdown 3. Het is zelfs helemaal niet te verwachten dat quantum computers onze gewone computers helemaal gaan vervangen. Het is echt ander gereedschap dat alleen in heel specifieke gevallen voordelen heeft boven gewone computers.

Hoe dan ook valt niet te onderschatten hoe groot de quantum revolutie gaat worden. Computers zullen in staat zijn om problemen op te lossen die tot nu toe onkraakbaar leken. Van zeer geavanceerde nieuwe medicijnen tot de oorsprong van het leven. Maar vooral uiteraard in nog realistischer computergames die over een paar jaar niet meer zijn te onderscheiden van de werkelijkheid.