Van nul tot quantum

Superpositie

Op quantumniveau kunnen fysieke systemen tegelijkertijd in meerdere toestanden bestaan. Totdat het systeem wordt geobserveerd of gemeten, bevindt het zich in alle posities tegelijk. Quantumcomputers maken gebruik van dit basisprincipe van de quantummechanica en werken met het potentieel van het systeem, waarbij alle mogelijke uitkomsten tegelijkertijd in een berekening bestaan. In het geval van quantumcomputing kan het systeem bestaan uit fotonen, gevangen ionen, atomen of quasideeltjes.

Interferentie

Quantumtoestanden kunnen interfereren met andere quantumtoestanden. Interferentie kan de vorm aannemen van het opheffen of vergroten van een amplitude. Een van de manieren om interferentie te visualiseren is door tegelijkertijd twee stenen in een plas water te laten vallen. Waar de golfbewegingen elkaar ontmoeten, worden de pieken hoger en de dalen dieper. Deze interferentiepatronen zorgen ervoor dat quantumcomputers algoritmen kunnen uitvoeren die totaal verschillen van de algoritmen van klassieke computers.

Verstrengeling

Op quantumniveau raken systemen zoals deeltjes met elkaar verstrengeld en spiegelen ze elkaars gedrag, ook over zeer grote afstanden. Door de toestand van het ene systeem te meten, kan een quantumcomputer 'weten' wat de toestand is van het andere systeem, waarmee het is verstrengeld. Praktisch gezien kan een quantumcomputer bijvoorbeeld de spin van elektron B weten door de spin van elektron A te meten – ook al bevindt elektron B zich op miljoenen kilometers afstand.

Qubits

De klassieke computer maakt voor berekeningen combinaties van binaire eenheden, ook wel bits genoemd. En dat is meteen de basis van de beperking van klassieke rekenkracht: berekeningen worden genoteerd in een taal die op ieder moment één van twee toestanden kan hebben: 0 of 1. Bij quantumcomputing worden berekeningen genoteerd in de taal van de quantumtoestand, die 0 of 1 kan zijn, maar ook alles tussen 0 en 1 in superpositie. Dit type informatie-eenheid wordt een 'quantum computer bit' ofwel qubit genoemd.

Door de specifieke eigenschappen van qubits kan informatie exponentieel groeien in een systeem. Omdat er met meerdere toestanden tegelijk wordt gewerkt, kunnen qubits enorme hoeveelheden informatie vertegenwoordigen, veel meer dan een bit. De rekenkracht van een quantumcomputer is daarom moeilijk te overschatten. Bij het combineren van qubits groeit de rekenkracht vele malen sneller dan bij klassieke computers. En omdat qubits geen fysieke ruimte innemen zoals processorchips, zou het volgens sommige metingen mogelijk zijn om oneindige rekenkracht te creëren.

Soorten quantumcomputers

Om quantumcomputing te begrijpen, is enig begrip nodig van de onderliggende principes van de beweging, positie en relaties van quantumdeeltjes.

De hardware voor quantumcomputers is heel anders dan die van de serverparken waarmee supercomputers worden geassocieerd. Quantumberekeningen worden gemaakt door deeltjes in een toestand te plaatsen waarin ze kunnen worden gemeten zonder dat ze worden veranderd of verstoord door omliggende deeltjes. In de meeste gevallen betekent dit dat de computer zelf tot bijna het absolute nulpunt moet worden gekoeld en dat de qubits moeten worden beschermd tegen ruis met laagjes goud. Vanwege deze delicate en exacte voorwaarden kunnen quantumcomputers alleen worden gebouwd in zeer gespecialiseerde omgevingen.

Momenteel is een van de belangrijkste vormen van digitale versleuteling de RSA-methode (Rivest-Shamir-Adleman), ook wel bekend als public key cryptography ofwel cryptografie op basis van openbare sleutels. Rivest, Shamir en Adleman beschreven het RSA-algoritme al in 1977 en tientallen jaren later is het nog steeds een uitzonderlijk sterk versleutelingssysteem dat zijn sporen ruimschoots heeft verdiend.

RSA is gebaseerd op twee digitale sleutels die samen een groot priemgetal vormen. Het vermenigvuldigen van twee bekende getallen voor het berekenen van een priemgetal is voor klassieke computers heel eenvoudig; maar voor de omgekeerde bewerking zijn ze veel minder geschikt. Klassieke computers hebben veel moeite om de twee factoren van een priemgetal te ontbinden met behulp van de 'brute force'-methode. Dat betekent dat een RSA-algoritme een praktisch niet te kraken code is, omdat ook de krachtigste supercomputer de waarde van de sleutels niet binnen een redelijke tijd kan berekenen. Het ontsleutelen van de hedendaagse 2084-bits RSA-versleuteling zou de snelste supercomputer ongeveer 300 biljoen jaar kosten.

Maar dat is waar quantumcomputing een bedreiging vormt. Quantumcomputers kunnen alle waarschijnlijkheden tegelijkertijd analyseren en hoeven dus niet, zoals de klassieke computers, alle mogelijke uitkomsten een voor een te bekijken. Dat betekent dat ze de berekening wel binnen een redelijke tijd zouden kunnen uitvoeren. Quantumcomputers zijn perfect voor het ontbinden van grote priemgetallen in de juiste factoren, waarmee RSA in feite wordt gekraakt. Men voorspelt dat in de nabije toekomst RSA-versleuteling in een paar maanden kan worden gekraakt door een quantumcomputer, en dat geavanceerdere quantumcomputers dit zelfs binnen enkele uren of minuten zullen kunnen.

Quantumcomputing

De term die waarschijnlijk het vaakst verkeerd wordt gebruikt, is 'post-quantumcomputing', afgekort tot 'PQC'. Deze benaming heeft tot nogal wat verwarring geleid, want de afkorting is hetzelfde als die van 'post-quantumcryptografie'. Maar in de wereld van de quantumcomputerwetenschap bestaat er niet zoiets als 'post-quantumcomputing'. De juiste term voor de machine is 'quantumcomputer' en de term 'quantumcomputing' beschrijft het vakgebied en proces. En ook lang nadat geavanceerde en praktisch bruikbare machines werkelijkheid zijn geworden, zullen ze 'quantumcomputers' heten, niet 'post-quantumcomputers'.

Post-quantumcryptografie

Quantumcryptografie en post-quantumcryptografie hebben allebei quantummechanica als basis, maar het zijn niet dezelfde cryptografische technologieën. In de quantumcryptografie wordt de fundamentele aard van onvoorspelbaarheid gebruikt voor het versleutelen en ontsleutelen van gegevens, waarbij informatie rechtstreeks in de qubits zelf wordt gecodeerd. Momenteel maakt de bekendste versie van quantumversleuteling gebruik van de eigenschappen van qubits om gegevens zodanig te beveiligen dat een poging om ze te ontsleutelen zonder toestemming leidt tot fouten in de qubits. Deze vorm van quantumversleuteling werkt een beetje zoals een alarm op een deur of raam; bij onbevoegde toegang gaat een alarm af.

Post-quantumcryptografie (PQC)

Post-quantumcryptografie is gebaseerd op wiskundige vergelijkingen, net als klassieke versleuteling. Het verschil zit in de complexiteit van de vergelijkingen. Bij PQC wordt er gebruikgemaakt van quantumeigenschappen om vergelijkingen op te stellen die zo moeilijk op te lossen zijn dat zelfs quantumcomputers dat niet zomaar kunnen. Een van de voordelen van PQC is dan ook deze basis van zeer moeilijk op te lossen vergelijkingen. En omdat het gebruikmaakt van dezelfde basisstructuren als de huidige, klassieke versleuteling, kan het worden ingezet met vergelijkbare methoden en dus de meeste systemen van tegenwoordig beschermen.