Berichten

Quantum supremacy

Het gerucht ging al een tijdje, maar vorige week werd het door Google bevestigd. De Google quantum computer heeft quantum supremacy bereikt. En dat is een stevige mijlpaal voor de quantum computer. Maar wat is het eigenlijk? En moeten we nu bang zijn dat de quantumcomputer al onze wachtwoorden breekt?

Schrödinger’s bits

Een quantum-computer werkt fundamenteel anders dan een gewone computer. Onze ‘ouderwetse’ computer is binair – hij werkt met bits die elk twee mogelijkheden hebben: aan of uit, 1 of 0. Door die bits betekenis te geven, er een hele rij van achter elkaar te zetten en er operaties op uit te voeren is de computer in staat om de meest uiteenlopende taken uit te voeren. En meestal nog snel ook.

Maar bepaalde taken zijn niet snel uit te voeren. Een voorbeeld. Neem twee gigantisch grote priemgetallen en vermenigvuldig ze met elkaar. Fluitje van een cent voor de computer. Maar geef de computer het resultaat van de vermenigvuldiging en vraag hem om dat getal te ontbinden in de twee priemgetallen, en hij is (als de getallen maar groot genoeg zijn) bezig tot de zon ontploft. En nog wat langer. Wat een computer hier in wezen doet is alle mogelijkheden afgaan, en er zijn zo absurd veel mogelijkheden dat dit probleem in de praktijk niet op te lossen is. 

Een quantum-computer werkt niet met bits maar met qubits. Qubits kunnen ook 1 of 0 zijn, maar ook alles ertussenin. Tegelijkertijd. Quantum-algoritmen werken door een serie qubits – en dat hoeven er niet eens zoveel te zijn – in quantumstaat alle mogelijkheden tegelijkertijd af te laten gaan, waarna de qubits het uiteindelijke antwoord tonen door terug te vallen op nullen en enen.

Encryptie

Een van de belangrijkste hulpmiddelen voor cyber security is encryptie – versleuteling. Encryptie is gebaseerd op problemen die de huidige computer niet binnen een redelijke tijd kan uitrekenen. Zoals het ontbinden van zo’n gigantisch getal in twee enorme priemgetallen waar we het hierboven over hadden. Cruciaal om wachtwoorden, bestanden en communicatie veilig te houden. 

Voor een quantum-computer van voldoende omvang is die encryptie echter niet zo’n probleem. Hij rekent de vele gigeljarden mogelijkheden simpelweg allemaal tegelijkertijd door. En daar gaat de veiligheid. Overheden zijn nu al bezig om zoveel mogelijk versleutelde data buit te maken. Als over 10 of 20 jaar de quantumcomputer die de codes kan breken een feit is hebben ze in een keer alle informatie. Misschien niet zo belangrijk voor uw wachtwoord (misschien ook wel), maar wel voor geclassificeerde informatie – militaire en civiele geheimen. 

Quantum-proof

Vandaar dat er nu al veel (maar niet genoeg) aandacht wordt besteed aan versleuteling die wel quantum-proof is. Dat kan op twee manieren: er zijn problemen waar ook de quantumcomputer niet uitkomt, en als we die gebruiken als basis voor encryptie, dan zijn we weer veilig. Het alternatief is om quantum-fenomenen te gebruiken in het maken van de versleuteling. Daar komt ook geen quantum-computer uit. 

Onstabiel

De quantum-computer staat nog in de kinderschoenen. Qubits zijn lastig. Ze maken gebruik van subatomaire effecten zoals de spin van elektronen en zijn niet altijd even stabiel. De bedoeling van een quantum-berekening is dat alle qubits tegelijkertijd klaar zijn – in de praktijk willen qubits nog wel eens voortijdig terugvallen in een 1 of 0 staat. De berekening is daarmee niet meer betrouwbaar. Dat moet opgelost, bijvoorbeeld door imaginaire qubits te gebruiken die in de praktijk uit tientallen fysieke qubits bestaan. Maar qubits zijn best wel lastig te maken. De grootste quantumcomputer op dit moment heeft 53 qubits. Fysieke qubits. 

Quantum supremacy dus

Het nieuwe buzz-word, quantum supremacy. Wat betekent het?

Quantum supremacy is bereikt als een quantum-computer problemen kunnen oplossen die normale computers praktisch niet kunnen oplossen. Zoals die ontbinding hierboven. Dat is nogal wat. En daar zijn we nog lang niet.

Maar we kunnen het ook quantum supremacy noemen als een quantum-computer in staat is om problemen sneller op te lossen dan klassieke computers. Waarbij de klassieke computer dus wel degelijk in staat is om het probleem op te lossen, maar laten we zeggen in 3 dagen, terwijl de quantumcomputer het in 5 minuten kan.

Hoe zit het met de bewering van Google? Om hun quantum supremacy te bereiken hebben ze een heel interessant probleem gekozen. Het kwam er in feite op neer dat ze de quantum computer gebruikten om uit te rekenen wat een quantum computer zou doen in een situatie die lastig is voor een klassieke computer om te voorspellen. Waarbij ze de onstabiliteit mochten meenemen, want dat is immers een quantum-fenomeen.

Niet direct iets toepasbaars, maar this is science. Een proof of concept om te zien of quantum supremacy uberhaupt wel haalbaar is. Volgens de auteurs van het artikel *** zou het een normale computer 10.000 jaar kosten om de taak uit te voeren. Maar zoals dat gaat in de wetenschap zijn er altijd weer anderen om dat aan te vechten. De onderzoekers bij IBM beweren dat een ouderwetse computer het in 3 dagen kan, en beter. 

Kort samengevat: een prachtig resultaat, maar ook maar een klein stapje in een lange serie van kleine stapjes die we moeten nemen om echte quantum-supremacy te bereiken voor echte praktische problemen. Zoals het kraken van encryptie.