- Wat is kwantumcomputing?
- Kwantumcomputers vs. conventionele computers
- Q System One van IBM – de eerste stap naar commerciële kwantumcomputers
- Microsoft versnelt kwantumcomputing-onderzoek in Nederland
- Kwantumcomputing wordt een miljardenindustrie
- Kwantummachines kunnen moderne versleutelingssystemen – zelfs blockchain – makkelijk doorbreken
- Het tijdperk van kwantumdisruptie
We produceren met z’n allen enorme hoeveelheden data. Elke keer dat we iets tweeten, liken of een foto of bericht plaatsen wordt er data gegenereerd. Sterker nog, volgens de statistieken produceren we elke dag 2,5 exabytes (of 2,5 miljard gigabytes) aan data. Data genereren is eenvoudig, maar het verwerken ervan is een stuk lastiger. Hoewel onze huidige computers efficiënter en kleiner zijn dan hun voorgangers, hebben ze ook zo hun limieten. Ze kunnen complexe problemen bijvoorbeeld niet binnen een redelijke tijd verwerken. Daarvoor hebben we een andere, krachtigere computationele aanpak nodig en wetenschappers over de hele wereld zijn nu bezig met het ontwikkelen van een nieuwe generatie computers: kwantumcomputers.
Wat is kwantumcomputing?
Voor het verwerken van informatie maken traditionele computers gebruik van binaire bits, 0 of 1. Op basis van dit principe kunnen ze één taak tegelijk uitvoeren. Maar kwantumcomputers zijn anders. Ze gebruiken kwantumbits, ook wel qubits genoemd, om gegevens te verwerken. Het geheugen van de kwantumcomputer is opgebouwd uit qubits, deeltjes in superpositie die met elkaar verstrengeld zijn. Een qubit kan, in plaats van óf 0 óf 1, tegelijkertijd de binaire waarden 0 én 1 hebben. Eén qubit heeft dus eigenlijk de waarde van twee bits. Dit mechanische principe stelt kwantumcomputers in staat om miljoenen berekeningen in één keer uit te voeren.
Kwantumcomputing is ook gebaseerd op een ander principe, namelijk verstrengeling. Wanneer er sprake is van een kwantumverstrengeling van twee gepaarde qubits, betekent dit dat er tussen deze qubits een verbinding bestaat, waarin de toestand van één qubit afhankelijk is van die van een ander, hoever zij ook van elkaar verwijderd zijn. Wanneer je verstrengeling met superpositie combineert kunnen kwantumcomputers verbijsterend complexe berekeningen uitvoeren. Matthew Brisse, de vice-president research van Data Center en Cloud Infrastructure bij Gartner, merkt op: “Met kwantumcomputing kunnen we dingen doen in enorme parallelle systemen, iets dat voorheen niet mogelijk was”.
Kwantumcomputers vs. conventionele computers
Voor kwantumcomputers geldt: ‘hoe groter het probleem, des te beter’. Neem Grover’s algoritme bijvoorbeeld. Dit kwantumalgoritme kan met gebruik van maar 10.000 berekeningen tussen 100 miljoen namen één specifieke naam vinden. Voor dezelfde taak zou een klassieke computer 50 miljoen berekeningen nodig hebben. Bovendien zou het proces met een conventionele computer 31 jaar duren, maar een kwantumcomputer heeft daar maar 9 uur voor nodig. Hoe gaat dat in z’n werk? Stel, je moet een specifiek telefoonnummer vinden in een niet-georganiseerde lijst met honderden telefoonnummers. Je begint dan waarschijnlijk met het eerste nummer om te vergelijken of er een overeenkomst is en zo werk je de hele lijst af tot je het juiste nummer hebt gevonden. Hier kan natuurlijk heel veel tijd in gaan zitten. Maar met een kwantumcomputer kun je zo’n proces versnellen door meerdere telefoonnummers tegelijkertijd te vergelijken.
De superioriteit van kwantumcomputers werd in 2015 al bewezen, toen Google een systeem van D-Wave Systems testte. Tijdens het testen bleek dat de machine van D-Wave 100 miljoen keer sneller was – en bovendien efficiënter in het oplossen van complexe problemen – dan een gewone computer. Hoewel D-Wave maar liefst $15 miljoen kost heeft dit Google, NASA en de Amerikaanse overheid er niet van weerhouden om in deze technologie te investeren.
Q System One van IBM – de eerste stap naar commerciële kwantumcomputers
Google is natuurlijk niet de enige speler in de kwantumcomputing-arena. Ook bedrijven als IBM, Intel en Microsoft maken willen gebruikmaken van het potentieel van deze baanbrekende technologie. Op de Consumer Electronics Show eerder dit jaar in Las Vegas onthulde IBM haar Q System One. Deze kwantumcomputer wordt beschouwd als de eerste ter wereld die geschikt is voor commercieel gebruik. Eerdere kwantumcomputers konden niet buiten het laboratorium worden gebruikt, maar volgens IBM kan dat met de Q System One wel. Het apparaat is een twee meter hoge kist, gemaakt van borosilicaatglas en uitgerust met een cilinder die aan het plafond is bevestigd.
Dit 20-qubit-systeem werd ontwikkeld door een team van topontwikkelaars en -ingenieurs die de missie hadden om een oplossing te vinden voor een van de grootste uitdagingen van kwantumcomputing. Qubits zijn dan wel krachtig, maar ze zijn ook erg kwetsbaar en kunnen hun kwantumeigenschappen door trillingen, elektromagnetische golven en temperatuurschommelingen verliezen. Om de qubits te beschermen werd het systeem – dat uit duizenden componenten bestaat – met aluminium en stalen frames geïsoleerd. De ontwerpers van IBM hebben ook aandacht besteed aan de esthetiek van de machine. Robert Sutor, IBM’s vice-president van Q-strategie en ecosysteem, zegt: “IBM heeft een lange design-geschiedenis en we gaan daar weer helemaal naar terug”. Hoewel Q System One alleen wordt gezien als een uitbreiding van IBM’s cloud-service, hoopt het bedrijf dat ze met deze technologie op een dag problemen kunnen oplossen die momenteel als te complex worden beschouwd. Met deze innovatie heeft IBM een grote stap gezet op het gebied van de commercialisering van kwantumcomputing-technologie.
Microsoft versnelt kwantumcomputing-onderzoek in Nederland
Ook Microsoft heeft enige vooruitgang geboekt op het gebied van kwantumcomputing. In 2017 kondigde deze technologiegigant een samenwerking aan met het kwantumcomputing-instituut van de Technische Universiteit Delft. Het partnerschap heeft de naam QuTech gekregen en is gericht op de ontwikkeling van componenten voor kwantumcomputers. Het instituut is een initiatief van de Nederlandse Organisatie voor Toegepast Wetenschappelijk Onderzoek en de TU Delft. QuTech wordt gesteund door de Nederlandse overheid en heeft zes andere investeerders die een overeenkomst hebben getekend om het instituut de komende tien jaar met een investering van €135 miljoen te ondersteunen.
De ontwikkeling van kwantumcomputers wordt gekenmerkt door vallen-en-opstaan en vergt veel geduld. Het is dus van cruciaal belang om gedurende het hele proces financiële ondersteuning te hebben. Om kwantumcomputingonderzoek te stimuleren, is Microsoft van plan op de campus van de TU Delft een eigen kwantumlab te openen. Het laboratorium, Station Q Delft, wordt geleid door Leo Kouwenhoven, hoogleraar aan de TU Delft. Samen met zijn team werkt Kouwenhoven aan topologische qubits, die kwantumcomputers beter bestand maken tegen externe omstandigheden.
Kwantumcomputing wordt een miljardenindustrie
Gezien de recente aandacht voor kwantumcomputing-technologie kunnen we zien dat deze industrie waarschijnlijk een explosieve groei zal doormaken. Volgens het laatste Tractica-rapport zullen de marktinkomsten de komende jaren toenemen. Zo hebben beleggers in 2017 maar liefst $241 miljoen aan kapitaal beschikbaar gesteld voor kwantumcomputing-startups. Dat is drie keer zoveel als in 2016. Tractica voorspelt dat wereldwijde marktomzet voor kwantumcomputing tegen 2015 jaarlijks $2,2 miljard zal bedragen, een stijging ten opzichte van slechts $39,2 miljoen in 2017. De koploper is Noord-Amerika met een geschatte omzet van $718,3 miljoen in 2025, gevolgd door $695,8 miljoen in Europa en $650 miljoen in de regio Azië/Pacific.
De belangrijkste bedrijfstakken voor de acceptatie van kwantumcomputing zijn de lucht- en ruimtevaart, de automobielsector en de olie-, gas- en mijnsector. Elke bedrijfstak die afhankelijk is van grote hoeveelheden gegevens, is in feite een ideale omgeving voor kwantumcomputers. Financiële bedrijven kunnen deze krachtige machines bijvoorbeeld gebruiken om handelsgegevens te verwerken en “resultaten binnen enkele seconden te simuleren” en in de logistieke sector zou kwantumcomputing een oplossing zijn voor grootschalige optimalisatie-uitdagingen.
Kwantummachines kunnen moderne versleutelingssystemen – zelfs blockchain – makkelijk doorbreken
Helaas brengen de ontwikkelingen in kwantumcomputing ook veiligheidsrisico’s met zich mee. Het overgrote deel van onze gevoelige informatie wordt beschermd door codering, wat voor hackaanvallen op conventionele computers over het algemeen effectief is. Maar hoe zit het met hackers die gewapend zijn met kwantumcomputers? Daarmee kan een hacker bestaande versleutelingssystemen namelijk eenvoudig doorbreken. Zelfs de zeer veilige blockchainsystemen lopen gevaar. Bestanden die op blockchain zijn opgeslagen zijn openbaar, maar de eigenaren ervan zijn anoniem en worden door middel van cryptografische sleutels beschermd. Het kraken van deze sleutels is voor traditionele computers een complexe taak, maar voor kwantumcomputers is dat kinderspel. Hackers kunnen deze codering met kwantumcomputing makkelijk doorbreken en toegang krijgen tot alles wat is opgeslagen op de blockchain van het slachtoffer.
Om dit te voorkomen is het belangrijk om verbonden apparaten, identiteitsbeheersystemen en alle andere systemen die vertrouwelijke gegevens opslaan ‘kwantumveilig’ te maken. Bedrijven en overheden moeten in de toekomst dus nóg meer tijd een aandacht besteden aan het upgraden van hun cybersecuritysystemen.
“Het duurt waarschijnlijk nog een jaar of vijf voordat kwantumcomputing echt een vlucht neemt”, zegt Bob Wisnieff, de CTO van kwantumcomputing van IBM. Maar dat betekent niet dat we ons er niet alvast op moeten voorbereiden. En om goed voorbereid te zijn op een toekomst waarin encryptie verbroken kan worden, werken de onderzoekers van IBM aan een nieuwe versleutelingsmethode die roostercryptografie genoemd wordt. Met deze methode worden gegevens in complexe geometrische structuren – of roosters – verborgen. Deze methode zou onze systemen sterk genoeg kunnen maken om een aanval van een kwantumcomputer te weerstaan. Een andere belangrijke stap voor organisaties is om zoveel mogelijk te leren over deze technologie van de toekomst.
Het tijdperk van kwantumdisruptie
Het is duidelijk dat kwantumcomputing evolueert van een ontluikende trend naar een veelbelovende technologie. Deze machines kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om resultaten te simuleren op basis van grote hoeveelheden financiële gegevens of om grote optimalisatieproblemen in de logistiek op te lossen. Verder zijn geneesmiddelenonderzoek, genbewerking en verkeerspatroonanalyse verschillende andere gebieden waar kwantumcomputers een grote impact kunnen hebben. Met kwantumcomputing zouden bijvoorbeeld ook meteorologen razendsnel weerstatistieken kunnen analyseren om vast te stellen waar en wanneer slecht weer zal toeslaan.
Bovendien zouden wetenschappers kwantummachines decennia-oude gegevens over klimaatverandering kunnen laten verwerken om zo een nauwkeuriger voorspellingsmodel te ontwikkelen over hoe de mondiale temperaturen zullen veranderen. Met kwantummachines kunnen wetenschappers bovendien de huidige uitdagingen met betrekking tot kunstmatige intelligentie overwinnen. Met meer rekenkracht kunnen bedrijven namelijk grotere hoeveelheden complexere gegevens analyseren, waardoor KI-algoritmen de feedback krijgen die ze nodig hebben om écht intelligent te kunnen worden.
De mogelijkheden zijn werkelijk eindeloos en de voordelen van kwantumcomputing zullen een aanzienlijk aantal bedrijven ertoe aanzetten om in de toekomst fors in deze technologie te investeren. Hoewel de impact van kwantumcomputing naar verwachting enorm ingrijpend zal zijn, moeten we ons tegelijkertijd realiseren dat deze technologie ook enorme cyberbeveiligingsrisico’s met zich meebrengt. Het vermogen om zeer complexe problemen in een korte tijd op te lossen maakt kwantumcomputers zeer aantrekkelijk, maar deze tech kan ook worden gebruikt als een vernietigingswapen. Stel je bijvoorbeeld een computer voor die een systeem binnen enkele seconden kan kraken. Je kunt je cybersecuritysystemen dus nooit vroeg genoeg aanscherpen. Zoals Gary Shapiro, de president en CEO van de Consumer Technology Association, zegt: “De enige zekerheid die we hebben over de toekomst is disruptie. De technologische veranderingen gaan sneller dan we ooit hebben meegemaakt”.
