Hoe zal kwantumcomputing de logistiek beïnvloeden?

Kwantumcomputing komt langzaam op in de moderne wereld. Kwantumcomputers zijn niet langer de “toekomst van de informatica”, maar zijn met de dag meer en meer een realiteit. Deze supercomputers zijn gebaseerd op de regels van de kwantummechanica, de tak van de natuurkunde die het gedrag van licht en materie op atomaire en subatomaire schaal bestudeert, teneinde de beperkingen van conventionele computers te overtreffen.

Maar voor welke toepassingen zal deze nieuwe informatietechnologie kunnen worden ingezet in de logistiek? Zal het bijvoorbeeld mogelijk zijn om met behulp van kwantumcomputers de prestaties van de “last mile” te optimaliseren? Had deze technologie de crisis in de toeleveringsketen kunnen voorkomen of in ieder geval de gevolgen ervan kunnen beperken?

Kwantumfysica

De kwantummechanica en -fysica kwamen op in 1900 toen de Duitse natuurkundige Max Planck een theorie ontwikkelde volgens welke licht wordt overgedragen in de vorm van kleine pakketjes energie, die hij quanta in het meervoud of quantum in het enkelvoud noemde. Dit concept heeft zich ontwikkeld en kreeg een wiskundige interpretatie door de bijdragen van andere wetenschappers zoals Albert Einstein, Werner Heisenberg en Erwin Schrödinger. In 1929 definieerde Edwin Schrödinger het gedrag van atomaire deeltjes als een waarschijnlijkheid, wat later leidde tot het beroemde gedachte-experiment Schrödingers kat. Daarna ging de studie van de kwantummechanica snel vooruit. Tegenwoordig maken toepassingen van deze theorie deel uit van ons dagelijks leven bijvoorbeeld in microprocessoren, bij beeldvorming door middel van magnetische resonantie en bij LED-verlichting.

Volgens de kwantummechanica zijn deeltjes complementair aan elkaar en kunnen ze elkaars toestand innemen en op meerdere plekken tegelijkertijd zijn, wat betekent dat ze verschillende toestanden kunnen hebben. David Morin, hoogleraar aan het departement natuurkunde van de Harvard University, legt het als volgt uit: “In de kwantummechanica worden deeltjes gekenmerkt door golfbewegingen, en het is een specifieke vergelijking, het gedachte-experiment van Schrödinger, dat het gedrag van deze golven bepaalt.”

Wat is kwantumcomputing?

Kwantumcomputing betekent het toepassen van de wetten van de kwantummechanica op de informatica. Volgens professor Lee Spector, auteur van Advances in Genetic Programming, “is kwantumcomputing een deelgebied van de computerwetenschap dat gebruik maakt van de dynamiek van objecten op atomaire schaal om informatie op te slaan en te bewerken”.

Met andere woorden, deze technologie is gebaseerd op de beginselen van de superpositie van elementaire kwantumtoestanden en materie om computercapaciteit te ontwikkelen. Dit betekent dat er veel krachtiger algoritmen aan te pas komen wat resulteert in systemen met een grotere rekencapaciteit in vergelijking met een traditionele computer.

Het concept van kwantumcomputing ontstond in het begin van de jaren tachtig, toen de Amerikaanse natuurkundige Paul Benioff zijn eerste theoretische model van een kwantumcomputer presenteerde. Tegelijkertijd benadrukte de Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman in zijn studie Simulating Physics with Computers de noodzaak om kwantumcomputers te ontwerpen teneinde digitale experimenten in de kwantummechanica uit te voeren.

Van het klassieke bit naar de “qubit”

De kwantumbit of qubit, een samentrekking van quantum bit, is de rekeneenheid die bij kwantumberekeningen wordt gebruikt. In tegenstelling tot de klassieke binaire bit die slechts twee waarden kan vertegenwoordigen (0 of 1), kan een qubit een onbepaalde toestand hebben die gelijk is aan 0, 1 of een willekeurige combinatie van 0 en 1 gesuperponeerd.

Dankzij het vermogen om functies van 0 en 1 tegelijkertijd te ontwikkelen met behulp van kwantumbits schiet de snelheid van de prestaties met kwantumcomputing omhoog: “De qubit is de minimale eenheid van informatie die kan worden verwerkt in de kwantumcomputing, dit is een tweedimensionaal kwantummechanisch systeem dat tegelijkertijd de klassieke codering van informatiebits (0 en 1) beheert”, verklaart Román Orús, hoogleraar aan de Johannes Gutenberg Universiteit in Duitsland, in het wetenschappelijke tijdschrift Reviews in Physics.

Afhankelijk van het exacte aantal kwantumbits kunnen deze computers berekeningen uitvoeren waarvoor minder ruimte nodig is en met een snelheid die voor een traditionele computer onmogelijk zou zijn. Volgens Microsoft, de belangrijkste ontwikkelaar van kwantumsoftware, zijn 500 qubits aan informatie gelijk aan meer dan ²⁵⁰⁰ traditionele bits.

Kwantumcomputers zijn al verkrijgbaar. De Amerikaanse multinational IBM heeft in 2019 zijn eerste kwantumcomputer op de markt gebracht, die kwantumrekenen combineert met klassiek rekenen. Deze computer, die werd aangekondigd als de eerste kwantumcomputer die niet in een laboratorium wordt gebruikt, heeft een waterdichte structuur van meer dan 3 meter lang en een systeem dat 20 qubits beheert.

De voor- en nadelen van kwantumcomputing

Het belangrijkste voordeel van kwantumcomputing is de rekencapaciteit. Qubits maken een exponentiële toename van de rekencapaciteit mogelijk in vergelijking met conventionele bits, en leiden tot flexibelere processen: “Kwantumcomputers zijn in staat om grote multidimensionale ruimtes te creëren waarin zeer complexe problemen kunnen worden aangeboden die zelfs supercomputers zouden ontgaan,” aldus IBM.

Deze technologie heeft echter nog enkele nadelen: De super kwantumcomputers bieden nog steeds niet de nodige betrouwbaarheid aangezien de toename van het aantal qubits betekent dat deze machines een hoger risico op fouten met zich meebrengen. Microsoft legt de reden hiervoor uit: “De verstrengeling van het qubit-systeem met zijn omgeving, inclusief de configuratie van de meting, zal het systeem gemakkelijk kunnen veranderen, waardoor kwantum decoherentie ontstaat.”

Een ander nadeel van kwantumcomputing is dat kwantumcomputers een extreem koude werkomgeving vereisen (-273 °C). Momenteel moeten de hypergeleidende materialen die in deze installaties worden gebruikt op deze temperatuur worden gehouden teneinde een correcte werking te waarborgen, maar er zijn reeds projecten gestart die deze beperking proberen op te heffen.

Toepassingen van kwantumcomputers

Kwantumcomputing zal de reactiesnelheid kunnen verhogen van technologieën die steeds meer aanwezig zijn in ons dagelijks leven zoals het industrial internet of things, big data en blockchain. Volgens Petter Wittek, in zijn boek What computer means to data mining, “maakt de bewerking van deeltjes op subatomair niveau het mogelijk om processen van machine learning te versnellen en daarmee de snelheid waarmee computers hun databases doorzoeken.”

De studie van Quantum supremacy met behulp van een programmeerbare processor, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, wijst in die richting: “Met kwantumcomputers zullen bepaalde rekentaken met een kwantumprocessor exponentieel sneller kunnen worden uitgevoerd dan met een traditionele processor.”

Deze grotere reactiviteit van computers zal een groot aantal gebieden ten goede kunnen komen, van onderzoek naar en de diagnose van klinische aandoeningen tot de meteorologie, die door onderzoek naar voorspelbaarheid betrouwbaarder zal kunnen worden dankzij de gelijktijdige analyse van meerdere kwantumberekeningen: “Kwantummechanica heeft geleid tot grote vorderingen op enkele zeer specifieke gebieden van de geneeskunde, en heeft het potentieel om een revolutie teweeg te brengen in het medisch onderzoek en de klinische zorg”, aldus Dmitry Solenov, professor aan de Saint Louis University in de Verenigde Staten, in een studie die is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Missouri Medicine. “Nu de rekencapaciteit van moderne computers grotendeels is verzadigd en niet langer exponentieel groeit zoals in de vorige eeuw zal kwantumcomputing de meest veelbelovende technologie kunnen worden waarmee grote vorderingen kunnen worden geboekt in processen die momenteel buiten het bereik van de bestaande rekencapaciteit liggen”, concludeert Solenov.

Kwantumcomputers in de logistiek

Kwantumcomputing biedt vele toepassingen voor de logistieke sector. Kwantumcomputers zullen een aanvulling vormen op de huidige processoren zodat apparaten met technologieën zoals machinaal leren of kunstmatige intelligentie sneller kunnen functioneren.

Zoals wordt benadrukt in een rapport van het internationale adviesbureau Accenture, kunnen “kwantumcomputers veilige informatie leveren voor algoritmen op het gebied van machinaal leren waarbij elke herhaling van nieuwe gegevens helpt om kunstmatige intelligentie aan te drijven.”

Op logistiek gebied vormt de planning van de routes waarschijnlijk één van de voornaamste gebieden die zal profiteren van de mogelijkheden van kwantumcomputers. Kwantumcomputers zullen het ook mogelijk maken de simulaties van magazijnen te verbeteren door de verschillende routes uitgebreid te analyseren en de meest efficiënte te selecteren op basis van alle variabelen.

Routesimulatie is echter niet het enige scenario waarin de toepassing van kwantumcomputing de logistieke prestaties van een bedrijf ten goede komt. Door het versnellen van de simulatie van mogelijke scenario's zullen kwantumcomputers meer veerkrachtige toeleveringsketens of supply chains kunnen ontwikkelen.

Kwantumcomputing, een disruptieve technologie met een groot potentieel

Verwacht wordt dat kwantumcomputers rekenprocessen zullen versnellen dankzij hun vermogen om in enkele minuten problemen op te lossen die niet kunnen worden opgelost door computers die op binaire bits zijn gebaseerd. Deze technologie zal de wijze waarop veel gebieden in het dagelijks leven functioneren veranderen, waaronder de logistiek. Dit is één van de redenen waarom de Europese Commissie onlangs het Quantum Technologies Flagship Project heeft gelanceerd. Dat heeft tot doel de Europese Unie een vooraanstaande positie te geven in het onderzoek naar kwantumcomputers.

Kwantumcomputing is niet zomaar een technologie die in de komende jaren in overweging zal worden genomen. Zoals het adviesbureau McKinsey in zijn laatste studie, A game plan for quantum computing, concludeert, “hebben kwantumcomputers het potentieel om zich tot een transformerende en disruptieve technologie te ontwikkelen, die snel kan worden ingevoerd en een onverwachte impact zal hebben. Als u niet overrompeld wilt worden door kwantumcomputing, zult u zich moeten voorbereiden op de opkomst ervan.”