Wat je vandaag al moet weten over kwantumcomputers

De technologie is er nog niet, maar houd rekening met de terugwerkende kracht ervan.

Heel langzaam bewegen kwantumcomputers uit het rijk der sciencefiction in de echte met enkele boeiende experimentele opstellingen. Waar moeten IT’ers nu al rekening mee houden?

Het eerste dat we moeten beseffen van kwantumcomuters is dat ze klassieke computers niet gaan vervangen. Ten tweede is het een technologie die nog volop in ontwikkeling is, dus waarvan het je vergeven is als je het genegeerd hebt, omdat het nog jaren duurt voor universele kwantum er zijn. Maar het derde punt is dat de tijd om beveiligingsmaatregelen te nemen nú is.

Als over tien á vijftien jaars kwantumcomputers sleutels van momenteel gangbare encryptiemethodes kunnen kraken, betekent dat met terugwerkende kracht het openbaren van sleutels die we nu genereren. Alle communicatie die we nu en de afgelopen jaren op die manier beveiligden, is dan niet gegarandeerd veilig meer. In dit artikel kijken we naar de dingen die je vandaag al moet weten, ook al duurt het nog even voor universele kwantumcomputers bestaan.

Kwantumcomputing in een notendop

Klassieke computers die we al decennia hebben, maken gebruik van twee definitieve staten: nul of één en die schakelingen daartussen zijn de drijvende kracht achter berekeningen. In kwantumcomputer hebben we te maken met kwantumbits, of qubits. Die hebben meerdere staten en kunnen tegelijkertijd één en of nul zijn. Kwantumcomputers kunnen dankzij deze truc veel meer berekeningen parallel uitvoeren, waardoor ze ordes van grootte sneller functioneren dan binaire computers.

Een paar termen

Kwantummechanica: De theorie in de natuurkunde die het universum beschrijft als atomische en subatomische deeltjes. Kwantumcomputers zijn gebaseerd op enkele ideeën uit de kwantummechanica, zoals verstrengeling en superpositie.

Superpositie: Superpositie in kwantumcomputers draait om de qubit die meer dan één definitieve staat kan hebben. Hier danken de machines hun parallellisatie aan, waardoor miljoenen berekeningen op hetzelfde moment kunnen worden uitgevoerd, legt Gartner-hoofdonderzoeker Matthew Brisse uit. Om de analogie van Schrödinger te gebruiken voor computers: met binaire computers is de kat levend of dood. Met kwantumcomputers is de kat zowel levend als dood, dankzij superpositie.

Verstrengeling: Als qubits zijn gekoppeld aan andere qubits, kan de staat van de ene afhankelijk zijn van de staat van de andere. Met verstrengeling en superpositie hebben kwantumcomputers de middelen om tegelijkertijd een enorm aantal verschillende resultaten te analyseren.

Het komt er volgens Brisse op neer dat kwantumcomputers ervoor zorgen dat we parallelle berekeningen op een schaal kunnen uitvoeren die nu simpelweg niet mogelijk zijn.

De oorsprong

Het begon met een lezing in 1959 van natuurkundige Richard Feynman – die eerder bijdroeg aan de ontwikkeling van de atoombom gedurende de Tweede Wereldoorlog – over de mogelijkheid van kwantumcomputers. In de jaren 80 begon het idee te leven en kreeg het vastere grond onder de voeten, dankzij het werk van Feynman, Paul Benioff en enkele andere pioniers.

“Begin jaren 80 begon het duidelijk te worden dat we naast conventionele computing kwantummechanica konden gebruiken om anders te rekenen”, zegt IBM’s Bob Wisnieff, CTO van de kwantumcomputing-divisie. “De vraag was, als je een computer bouwt met kwantummechanische principes, wat voor berekeningen kun je dan sneller en makkelijker doen? Die vraag was het begin van onderzoek naar kwantum bij IBM.”

Waarom we het nu over kwantumcomputers hebben

Het staat buiten kijf dat kwantumcomputers nog in de kinderschoenen staat. Momenteel heeft één procent van organisaties volgens Gartners Brisse budgetruimte gemaakt voor kwantumprojecten. Maar dat zou naar verwachting in 2023 gegroeid zijn tot 20 procent. Dus waarom komt het nu op de radar van IT-specialisten?

“We bereiken de grens van wat een klassieke computer kan doen”, legt IDC-chef Ashish Nadkarni uit. Veel (maar niet alle) experts denken dat het tijdperk van de Wet van Moore ten einde is. Tegelijkertijd hebben diverse bedrijven, waaronder Microsoft en Google, een enorme behoefte aan meer rekenkracht dan chipkrimp nog kan bieden. Vandaar de toenemende interesse.

Toepassingen van kwantumcomputers

Momenteel zijn alleen specifieke kwantumalgoritmes en beperkte bedrijfsapplicaties mogelijk. Sommige deskundigen denken dat kwantumcomputer altijd voor specifieke toepassingen blijft in plaats van algemene doelen en de meeste experts zeggen dat kwantumcomputers zullen integreren met de bestaande infrastructuur, in plaats van dat traditionele computers worden vervangen.

Kwantumcomputers worden gezien hun capaciteiten voornamelijk gebruikt als er een enorme hoeveelheid data te verwerken moet zijn binnen enkele seconden. “Denk aan fintech”, zegt Nadkarni “vooral bij diensten waar het volume handeldata enorm is en er resultaten gesimuleerd kunnen worden in enkele seconden”.

Andere voor de hand liggende toepassingen: medicijnonderzoek en biotechnologische research, genetisch onderzoek, kunstmatige intelligentie, verkeerspatroonanalyse, weersvoorspelling en cryptografie. “Kwantumcomputers zullen erg goed zijn in het oplossen van grote optimalisatieproblemen, zoals logistiek bij verscheping”, weet Brisse.

IBM en kwantumcomputers

IBM is een van de grote namen in de opkomst van de klassieke computer en het bedrijf hoopt die traditie voort te zetten met de komst van de kwantumcomputer. Het bedrijf heeft een grote rol gespeeld in het onderzoek en het serieus genomen worden van kwantum sinds de jaren 80 en het is al decennia een belangrijk onderzoeksgebied.

In 2016 introduceerde het bedrijf ’s werelds eerste Quantum Computing as a Service (QCAAS), tegenwoordig bekend onder de naam IBM Q Experience. Daarmee kan een breder publiek via xde cloud gebruik maken van kwantumtoepassingen. Het doel daarvan is dat gebruikers kunnen experimenteren, tutorials en simulaties bekijken, en op andere manieren de smaak van kwantumcomputers te pakken krijgen.

Aanvankelijk verbond IBM’s Q Experience met een 5-qubit computer in een onderzoekscentrum in New York. Inmiddels wordt ook een 16-qubit systeem aangeboden. Verder introduceerde het bedrijf eind vorig jaar het IBM Q Network, een wereldwijd consortium van multinationals, onderzoekslaboratoria en academische organisaties die zich richt op praktische kwantumtoepassingen voor bedrijven en wetenschap.

Op het moment van schrijven zijn er 80.000 gebruikers die samen meer dan vier miljoen experimenten hebben gedraaid binnen Q Experience, wat volgens IBM heeft geleid tot 65 onderzoekspapers. Andere spelers binnen deze nieuwe sector zijn Google, Intel, Microsoft, en startups als D-Wave Systems, Zapata Computing en Rigetti Computing.

Wat bedrijven nu al moeten doen

1. Zet stappen richting kwantumveilige versleuteling, oftewel post-kwanttumcrypto. “Als je een machine hebt die sterk genoeg is, kan een kwantumcomputer alle versleuteling kraken”, zegt IBM Research-onderdirecteur Arvind Krishna. Hij verwacht dat dit de komende vijf jaar nog niet gaat gebeuren. Maar als je organisatie data moet beveiligen voor tien jaar of langer, is de tijd om naar post-kwantumcrypto over te stappen nu aangebroken, bijvoorbeeld met transpositieencryptie als roosterversleuteling.

2. Kijk naar kwantumcomputing-as-a-service (QCaaS) in plaats van het investeren in kwantumcomputers. Gezien hoe snel kwantumtechnologie verandert, is het wellicht momenteel sowieso verstandiger om een QCaaS-model te gebruiken. “Het is betaling naar gebruik zonder kapitaalinvestering”, zegt IDC’s Nadkarni.

3. Zoek naar problemen die niet zijn op te lossen met een klassieke computer. Als je kijkt of kwantumcomputing wel iets is voor jouw organisatie, ga dan te rade bij de datawetenschappers in dienst om te zien of er zaken zijn die ze nu niet met de beschikbare rekenkracht kunnen oplossen, zegt Gartner-onderzoeker Brisse. “Zulke problemen zijn goede kandidaten voor kwantumcomputers.”

4. Ga nu in de leer. Ongeveer 1500 onderwijsinstituten wereldwijd leveren cursussen over kwantumcomputig, weet IBM’s Wisnieff. De beschikbaarheid van zulke cursussen groeit alsmaar verder. Onderwijs is van cruciaal belang voor de toekomst van kwantumcomputers. “Er zal geen kwantumcomputing plaatsvinden als er geen geschoolde werknemers zijn die het in de praktijk kunnen brengen”, aldus de CTO.

5. Wees geduldig. We zijn nog zeker vijf jaar verwijderd van een tijd waarin kwantum voet aan de grond begint te krijgen en gedurende die tijd gaan we langzaam toepassingen zien die demonstreren welk competitief voordeel kwantumcomputers met zich meebrengen.

6. Wees voorzichtig. “Er zijn zoveel verschillende kwantumtechnieken dat er geen standaard is en de processoren tot nu toe allemaal eenmalige laboratoriumproducties zijn”, legt Brisse uit. “Momenteel zetten we een schakeling aan en zijn we blij dat het werkt. Met andere woorden, we weten nog niet wat we niet weten over kwantumcomputing. Het kan een ongrijpbaar iets blijken als koude kernfusie, maar het kan ook een radicale revolutie zijn.” Of misschien allebei en geen van beide tegelijk.

Bron: Webwereld