Wat een quantumcomputer kan uitrekenen en waar hij nog tekortschiet

Je leest over quantumcomputers bij onderwerpen als nieuwe materialen, ingewikkelde berekeningen en digitale beveiliging. Daardoor kan het lijken alsof één nieuwe machine gewone computers binnenkort overbodig maakt. In werkelijkheid zijn quantumcomputers gespecialiseerde systemen: voor veel alledaagse taken blijft een klassieke computer de praktische keuze.

De kern zit in de manier waarop informatie wordt opgeslagen en bewerkt. Wie de mogelijkheden wil inschatten, let daarom niet alleen op het aantal qubits, maar ook op de bewerkingen die een machine betrouwbaar uitvoert en op de vraag of er een passend quantumalgoritme bestaat.

Wat maakt een quantumcomputer anders dan een gewone computer?

Een gewone computer slaat informatie op in bits, die de waarde 0 of 1 hebben. De basiseenheid van een quantumcomputer heet een qubit, een quantum bit. Die kan in een quantumtoestand verkeren die bij een meting verschillende uitkomsten mogelijk maakt. Dat wordt vaak uitgelegd als een combinatie van 0 en 1, maar het is geen gewone bit die simpelweg beide waarden tegelijk toont. De toestand en de kans op een meetuitkomst hangen af van hoe de qubit is voorbereid en bewerkt.

Een quantumcircuit bestaat uit qubits en quantumpoorten: bewerkingen die hun toestanden veranderen. In een uitleg van IBM Quantum Learning over bits, poorten en circuits laat een Hadamard-poort bijvoorbeeld zien hoe je een qubit vanuit de toestand 0 in een superpositie brengt. Meet je die ideale toestand in de beschreven basis, dan zijn 0 en 1 elk even waarschijnlijk. Dat is geen belofte dat je bij één meting beide antwoorden krijgt: een meting levert één uitkomst op.

Bij meerdere qubits kan het aantal mogelijke gezamenlijke toestanden sterk groeien. Een systeem van 2 qubits heeft 4 mogelijke basisuitkomsten; bij 3 qubits zijn dat er 8. Algemeen zijn er bij n qubits 2ⁿ mogelijke basisuitkomsten. Die aantallen beschrijven de ruimte waarin het systeem kan worden voorbereid, niet hoeveel antwoorden je na een meting tegelijk kunt uitlezen. Een bruikbaar algoritme moet de bewerkingen zo kiezen dat relevante uitkomsten een grotere kans krijgen.

Wanneer kan die andere manier van rekenen nuttig zijn?

Een quantumcomputer is vooral interessant wanneer het probleem een structuur heeft die een quantumalgoritme kan benutten. Onderzoekers onderzoeken onder meer berekeningen over quantumverschijnselen en het gedrag van materialen of moleculen. Dat betekent niet dat iedere simulatie vanzelf sneller, goedkoper of nauwkeuriger wordt. De invoer moet naar een geschikte quantumrepresentatie worden vertaald, de machine moet de benodigde bewerkingen kunnen uitvoeren en de gemeten resultaten moeten bruikbaar zijn.

Voor veel taken is een klassieke computer al efficiënt en betrouwbaar. Tekst schrijven, videobellen, bestanden opslaan en gewone bedrijfssoftware draaien vragen doorgaans niet om quantumhardware. Bij een hybride berekening kunnen klassieke en quantumcomputers samenwerken: de klassieke computer bereidt gegevens voor of verwerkt uitkomsten, terwijl een quantumprocessor een specifieke stap uitvoert. Welke taak daarvoor geschikt is, moet per algoritme en toepassing worden aangetoond.

Daarom is een vergelijking op basis van één getal misleidend. IBM beschrijft voor zijn eigen quantumhardware drie prestatie-indicatoren: het aantal programmeerbare qubits, de kwaliteit van qubitbewerkingen en het aantal circuits dat per seconde kan worden uitgevoerd. Die door IBM uiteengezette hardwaremaatstaven zijn bruikbaar als voorbeeld van wat een beoordeling kan omvatten, maar vormen geen universele ranglijst. Voor een concrete taak zijn ook de benodigde circuitdiepte, de foutkans en de verwerking van herhaalde metingen relevant.

Waarom zijn meer qubits niet automatisch beter?

Qubits zijn gevoelig voor verstoringen. Fouten kunnen ontstaan tijdens het bewaren van een quantumtoestand, bij een poortbewerking of bij het uitlezen. Hoe langer en ingewikkelder een circuit, hoe belangrijker het wordt dat fouten onder controle blijven. Een apparaat met veel qubits kan daarom voor een bepaalde berekening minder bruikbaar zijn dan een kleiner apparaat dat de noodzakelijke bewerkingen betrouwbaarder uitvoert.

Om fouten te beperken, onderzoeken wetenschappers foutcorrectie: methoden die informatie over fouten verzamelen en corrigeren zonder de berekende quantumtoestand eenvoudigweg uit te lezen. Dat kost extra fysieke qubits en aanvullende bewerkingen. Het aantal fysieke qubits is dus niet hetzelfde als het aantal qubits dat een algoritme na foutcorrectie effectief kan gebruiken. Vergelijk claims over capaciteit alleen als duidelijk is welke soort qubits wordt geteld en welke foutniveaus of bewerkingen zijn gemeten.

Het helpt ook om bewijssoorten uit elkaar te houden. Een apparaat dat een specifieke proef uitvoert, toont aan dat die proef op die machine is uitgevoerd; het bewijst niet vanzelf dat de machine een praktisch voordeel biedt voor uiteenlopende toepassingen. Vraag bij een prestatieclaim naar de precieze taak, de gebruikte vergelijking, de meetmethode en de reproduceerbaarheid. Net zoals waarnemingen van donkere materie indirect uit zwaartekrachteffecten worden afgeleid, vertellen meetresultaten over een quantumprocessor niet zonder verdere analyse het hele verhaal over de onderliggende toestand.

Wat betekent de quantumcomputer voor digitale beveiliging?

Een veelbesproken mogelijke toepassing is het aanvallen van bepaalde huidige cryptografische methoden. Dat is een toekomstig risico, geen bewijs dat beschikbare quantumcomputers alle versleuteling kunnen kraken. Het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) benadrukt dat niemand precies weet wanneer een voldoende krachtige quantumcomputer beschikbaar komt en dat daarvoor technische uitdagingen moeten worden overwonnen. In zijn uitleg over quantumcomputers en postkwantumcryptografie wijst NIST ook op de kwetsbaarheid van langdurig waardevolle gegevens die nu worden onderschept en mogelijk later worden ontsleuteld.

Postkwantumcryptografie is cryptografie die op gewone computers draait, maar bedoeld is om bestand te zijn tegen aanvallen van zowel klassieke als toekomstige quantumcomputers. Ze is dus niet hetzelfde als informatie versleutelen met een quantumcomputer. Op 13 augustus 2024 publiceerde NIST drie standaarden: FIPS 203 voor het vaststellen van een gedeelde geheime sleutel, en FIPS 204 en FIPS 205 voor digitale handtekeningen. De aankondiging van NIST over de drie standaarden maakt duidelijk dat sleutelafspraken en handtekeningen verschillende functies hebben. Een handtekening versleutelt dus niet simpelweg een bericht.

Hoe beoordeel je een claim over quantumcomputers?

Begin bij de taak, niet bij de spectaculaire belofte. Vraag welk probleem de machine oplost, welke invoer nodig is en wat als resultaat geldt. Een demonstratie op een klein of speciaal gekozen probleem is niet automatisch bewijs voor winst bij een alledaagse toepassing. Een eerlijke vergelijking benoemt ook de klassieke methode waarmee het resultaat wordt vergeleken en de middelen die beide methoden nodig hebben.

Kijk daarna naar de hardwaregegevens. Noteer hoeveel qubits beschikbaar zijn, welke bewerkingen de machine uitvoert en hoe fouten en metingen zijn beoordeeld. Controleer of het opgegeven aantal fysieke of foutgecorrigeerde qubits betreft. Bekijk ook of de gerapporteerde prestatie op één meting berust of op herhaalde runs. Zonder die informatie is een getal moeilijk te interpreteren.

Controleer tot slot wat de uitkomst wel en niet aantoont. Een quantumcomputer kan in sommige gevallen nuttig zijn voor een gespecialiseerde berekening, maar dat maakt hem niet geschikt als vervanging van een laptop of server. Voor beveiliging is de praktische stap evenmin wachten op een voorspelling van de doorbraakdatum: organisaties kunnen nagaan waar cryptografie wordt gebruikt en hoe leveranciers de overgang naar postkwantumcryptografie aanpakken. De juiste maatstaf blijft steeds dezelfde: past de machine aantoonbaar bij de taak, en zijn de resultaten controleerbaar?