Veel onderzoekers zijn het erover eens, quantum computers gaan onze wereld veranderen. Maar, wat betekent de quantum computing voor crypto en blockchain? Moeten we bang zijn dat deze supercomputers de beveiliging van crypto en blockchain teniet doen? In dit uitgebreide artikel leer je alles over deze nieuwe computer en de mogelijkheden ervan.
Kijk snel
- Wat zijn quantum computers?
- Hoe zitten Quantum computers in elkaar?
- Quantum supremacy
- Praktische toepassingen
- Verschillende quantum computers
- Gevaar voor crypto en blockchain?
- Tot slot
Wat is een quantum computer?
Een quantum computer is een hele grote computer die tot wel 3 miljoen keer sneller kunnen rekenen dan klassieke computers. De term quantum komt uit de quantum mechanica. Dit is een tak van fysica die over het allerkleinste niveau in het universum gaat. Een voorbeeld van een quantum-mechanisme is "licht". Licht bestaat tegelijkertijd uit deeltjes maar ook uit golven. Deze dubbele toestand is de kern van een quantum computer.
Na het bekijken van deze TED-talk weet je precies wat quantum computing inhoudt. Het filmpje duurt maar 10 minuten en er wordt Engels gesproken.
Hoe zitten quantum computers in elkaar?
Quantum computers kunnen op één moment, meerdere mogelijke staten hebben. Dit is revolutionair omdat we tot nog toe werken met binaire computers die op één moment een staat van 1 of een staat van 0 hebben. Omdat quantum computers veel meer opties hebben, kunnen ze veel sneller rekenen.
Een quantum computer is op veel vlakken hetzelfde als een normale computer. In de kern zit een chip die alle berekeningen uitvoert. Bij een quantum computer noemen ze die chip een quantum bit, of qubit. De qubit is het beste te vergelijken met een wonderkind: superslim maar snel afgeleid. Dit komt omdat de qubit alles willekeurig gaat berekenen. Het antwoord waar je naar zoekt zit verstopt in een heleboel antwoorden die je niet zoekt. Dit probleem noemen ze in de computerwetenschap fout-tolerantie.
Fout-tolerantie
Onze computers, laptops en mobiele telefoons hebben geen last meer van fout-toleranties, omdat de techniek ver is doorontwikkeld en de hardware weinig tot geen fouten maakt. De hardware van de quantum computers staat nog in de kinderschoenen. Als gevolg hebben ze last van veel fouten. Om toch het juiste antwoord te vinden gaan wetenschappers op zoek naar een manier om de hoeveelheid fouten te verminderen. Dit doen ze op twee manieren: fysiek en digitaal.
Fysieke fouten vermindering
Om de hoeveelheid fouten fysiek te verminderen moeten wetenschappers ervoor zorgen dat zo min mogelijk factoren de qubit en de quantum computer verstoren.
Negatief effect van hitte
Hitte is zo'n negatieve factor. Een goed voorbeeld is de autosnelweg in de zomer. Als de weg urenlang in de zon heeft lopen bakken dan kan je van afstand de lucht boven het wegdek zien vibreren. Hitte heeft ook op de quantum computer een serieus effect op de prestatie van de computer. Om het effect van hitte zo veel mogelijk uit te sluiten, worden quantum computers in een soort van kroonluchter gebouwd. Dit is een voorbeeld van zo’n kroonluchter, gebouwd door IBM:
Veel van de onderdelen zijn van edelmetalen zoals goud gemaakt omdat deze het beste hitte kunnen geleiden. Dankzij de kroonluchter kan de qubit gekoeld worden tot wel 10 milli Kelvin. Dat is -273 graden Celsius. Veel kouder dan dat gaat het niet worden op aarde. Maar ook niet in het universum: de ruimte is bijvoorbeeld al 2.7 Kelvin of -270 graden Celsius.
Deze temperatuur wordt bereikt door twee helium isotopen met elkaar te mengen. Door de temperatuur te drukken wordt de invloed van hitte op de berekeningen van de quantum computer aanzienlijk verminderd.
Elektromagnetische straling wordt tegengehouden
De quantum computer wordt bestuurd door microgolven. Om invloed van buitenaf uit te sluiten wordt de qubit volledig omsloten door een schild die alle elektromagnetische straling van buitenaf moet tegenhouden. Op deze manier krijgt de qubit minder storende factoren en zijn de microgolf-signalen beter te verstaan door de qubit.
Vertaalslag binair naar abstracte quantum
Het zijn deze oneindige opties die de quantum computer speciaal maken. Toch blijft een quantum computer ontastbaar. Hoe kan je tegelijkertijd 0 en 1 zijn? Dit is niet eens de meest complexe combinatie. Quantum computers kunnen bestaan uit vele qubit.
Deze qubits kunnen dan ook nog eens aan elkaar verbonden worden in een staat van "quantum entanglement" en "quantum superimposition". Hierdoor ontstaan oneindige combinaties van staten die voor het menselijk brein moeilijk te begrijpen zijn. Een van de grootste problemen van quantum computing is om een binaire vraag, ja of nee, aan de quantum computer te stellen en het quantum antwoord vervolgens weer in een binair antwoord te presenteren.
Je begrijpt het al: dit is hoge wetenschap. Omdat quantum computing nog in een zeer abstract stadium zit, zijn de praktische toepassingen vooralsnog beperkt. Een van de grootste hindernissen is de vertaalslag van binair naar quantum en terug. Quantum computers gaan pas in het dagelijks leven tastbaar worden wanneer deze vertaalslag is gemaakt. Volgens de wetenschappers kan dat nog tientallen jaren gaan duren.
Algoritmen
Algoritmen spelen een centrale rol in het communiceren met een quantum computer. Het algoritme dat gebruikt wordt dicteert hoe de informatie wordt aangeleverd, geïnterpreteerd en vervolgens wordt gepresenteerd. Door een algoritme te gebruiken geef je de computer een speelveld voor de resultaten. Op deze manier verklein je de hoeveelheid onjuiste, of niet relevante, informatie die door de quantum computer worden gepresenteerd.
Shors algoritme
Een van de bekendste quantum-computing-algoritmen is die van Peter Shor. Hij is professor van de toegepaste wiskunde aan de MIT (Technische universiteit in Cambridge). Shors algoritme is een algoritme voor het ontbinden in priemgetallen. Zonder op de wiskunde in te gaan, kunnen we zeggen dat dit hele grote getallen kunnen zijn die voor normale computers moeilijk te berekenen zijn. Door het Shors algoritme te gebruiken in een quantum computer kunnen alle mogelijke combinaties van priemgetallen supersnel gevonden worden.
Veel van de cryptografische beveiliging die bij crypto en blockchain wordt gebruikt is gebaseerd op RSA-encryptie. RSA-encryptie is sterk afhankelijk van grote priemgetallen. Omdat deze nummers onmogelijk door een normale computer gegokt kunnen worden is RSA-encryptie zeer veilig.
Toch zit de schrik erin aangezien quantum computers in theorie Shors algoritme kunnen gebruiken om RSA-encryptiewachtwoorden te achterhalen. De angst is dus dat quantum-computing-technologie de crypto- en blockchainwereld op z’n kop gaat zetten. Als je meteen wilt weten of dit echt mogelijk is lees dan snel verder bij de Mythen.
Quantum supremacy
Quantum computers hebben superveel rekenkracht en kunnen in theorie dus heel veel problemen oplossen. Diegene die dus als eerste een goed werkende quantum computer ontwikkelt, heeft dus een flinke technologische voorsprong op de rest. De race om zo snel mogelijk een praktische versie van een quantum computer te bouwen kun je het beste vergelijken met de wapenwedloop tussen Amerika en Rusland in de Koude Oorlog.
Diegene die als eerste een super atoombom ontwikkelt, heeft in theorie de sleutels tot de wereld in handen. In de praktijk bleek dit schrikmiddel niet te werken. Bij quantum computers is dat precies hetzelfde. Google heeft op 23 oktober 2019 quantum supremacy uitgeroepen met hun Sycamore quantum computer.
De quantum supremacy is het doel om aan te tonen dat een programmeerbaar kwantumapparaat een probleem kan oplossen dat klassieke computers, zoals wij die kennen, praktisch niet kunnen oplossen
De 54-qubit Sycamore heeft in 200 seconden een wiskundige berekening uitgevoerd waar de snelste supercomputer op aarde 10.000 jaar over zou doen. Een ongelooflijke prestatie die compleet geen praktische toepassing heeft. De quantum supremacy is een technologisch hoogstandje, maar staat nog vele tientallen jaren verwijderd van een praktische toepassing in de echte wereld. IBM is overigens sceptisch over Googles prestatie: zij zeggen dat een normale supercomputer het probleem in 3 dagen kan oplossen.
Praktische toepassingen van de quantum computer
De potentie van quantum computers is oneindig. Omdat de computers een ongekende complexiteit kunnen berekenen zal de quantum computing voor veel doorbraken zorgen in de wiskunde en de wetenschap. Denk hierbij aan het simuleren van de fysieke wereld. Bijvoorbeeld door de manier waarop elektronen rond de kern van een atoom bewegen. Of hoe een regenwoud reageert op een verhoogde concentratie aan stikstof.
Deze toepassingen kunnen grote vragen in de wetenschap beantwoorden. Uiteraard zijn er ook toepassingen die voor "de normale mens" interessant zijn. Zo zijn er Qubit-computerspelletjes die lijken op een digitale versie van Steen Papier Schaar.
Het Steen Papier Schaar computerspel is een goede metafoor voor de staat van de techniek: de potentie is groot maar de praktische toepassing moet nog ontwikkeld worden. Dit heeft allemaal te maken met de vertaalslag van binair naar quantum en terug.
Het tweede praktische probleem is dat er een enorme hoeveelheid kennis en geld nodig is om een quantum computer draaiende te houden. De computer zelf is zo groot als een ijskast, maar die ijskast heeft een compleet gebouw nodig voor de toevoer van koeling en stroom. Laat staan de dure kennis die nodig is om de computers te ontwikkelen.
Universiteiten en startups over de hele wereld zijn quantum computers aan het ontwikkelen. Ondanks de snelle groei in de ontwikkeling is de verwachting alsnog dat het tientallen jaren gaat duren voordat quantum computers hun grootste impact gaan hebben.
Wat zijn de grootste quantum computers van dit moment?
Hieronder volgt een lijst van de drie grootste quantum computers en waar ze momenteel voor worden gebruikt. Het leuke aan quantum computers is dat grote bedrijven zoals Daimler en Volkswagen quantum hun computertijd huren bij Google en IBM. Ze zitten dus niet vast aan één quantum computer.
1. Google Sycamore
Googles Sycamore is een quantum computer met een processor van 54-cubits. Sycamore wordt door meerdere bedrijven gebruikt. Bijvoorbeeld door ProteinQure die onderzoek doen naar molecuulstructuren en het ontwikkelen van medicijnen. Een andere toepassing komt voort uit een samenwerkingsverband met autofabrikant Daimler. Daimler doet onderzoek naar celstructuren in batterijen. Daimler hoopt op deze manier efficiëntere batterijen te ontwikkelen voor hun elektrische auto ’s.
2. IBM Q
IBM doet onderzoek naar grootschalige systemen zoals het gedrag van weer. Dit doen ze in samenwerking met The Weather Company en de U.S. Department of Energy. IBM probeert hun quantum computer voor iedereen open te stellen via hun IBM Q Experience cloud programma. Hier kan je, mits je de goede kennis hebt, zelf programma’s draaien op één van IBMs quantum computers.
3. D-Wave
D-Wave is een commercieel quantum computerbouwer. Hun tweede computer, de Vesuvius wordt door meerder bedrijven ingehuurd. Volkswagen onderzoekt in samenwerking met D-Wave de stroom van verkeer in Peking, Barcelona en Lissabon met het uiteindelijke doel om een vloot van geautomatiseerde bussen in te kunnen bouwen. Ook Daimler werkt samen met D-Wave om verbeterde AI te bouwen voor geautomatiseerd vervoer.
D-Wave maakt gebruik van een andere techniek dan IBM en Google waardoor ze veel meer qubits kunnen gebruiken. Waar de Google en IBM quantum computers 53-cubits hebben kan de D-wave quantum computer 5000 qubits dragen. Wetenschappers zijn in tweestrijd over de meerwaarde van meer qubits: hierdoor vermenigvuldig je ook de hoeveelheid fouten.
Vormt quantum computing een gevaar voor crypto en blockchain?
Quantum computing zit echt nog in de kinderschoenen, hoewel de computers al bestaan, zijn ze duur om te onderhouden en nog lang niet gebruiksvriendelijk. Zie de quantum computer als de eerste computers die door Turing werden gebruikt om in de Tweede Wereldoorlog de Duitse Enigma codes te breken. Kamers vol met techniek gebouwd voor één specifieke toepassing.
Het voorbeeld van de Duitse Enigma codes werkt ook als je quantum computers in de context van blockchain en crypto zet. Cryptomunten zijn letterlijk digitale munten die gecodeerd zijn zodat niemand ze kan stelen. De angst van de crypto-industrie is dat een quantum computer een crypto of blockchain kan decoderen om zo al de munten, of alle informatie, te stelen.
Gelukkig zijn quantum computers nog lang niet op dit niveau gekomen. Dit komt omdat quantum computers eigenlijk nog geen begrijpbare taal spreken. Hierdoor kunnen ze niet door normale programmeurs gebruikt worden. De verwachting is dat dit nog tien tot twintig jaar zal duren. Het leuke is ook dat wanneer quantum computing praktisch bruikbaar wordt voor programmeurs, dat de encryptie die gebruikt wordt bij crypto en blockchain, ook spannender gemaakt kan worden.
De hacker versus de normale programmeur
Wanneer de techniek voor iedereen toegankelijk wordt, zal niet alleen de hacker er profijt van hebben, de normale programmeur kan net zo goed meedoen. De praktijk zal ook uitwijzen dat de echte programmeur eerder toegang zal krijgen tot een quantum computer dan een hacker.
Met de ontwikkeling van quantum computing komt ook weer een nieuwe manier van beveiliging. Denk hierbij aan Quantum Communication Channels. Dit zijn communicatiesystemen die (bijna) onmogelijk te hacken zijn. Dit betekent niet “de computer die de hack kan uitvoeren bestaat nog niet”, maar eerder “de wiskunde die de hack in theorie waar kan maken bestaat überhaupt niet”.
Quantum computing heeft dus de potentie om RSA-encryptie over tientallen jaren te breken, maar heeft ook de potentie om een nóg betrouwbaarder alternatief te bieden voor RSA-encryptie.
Tot Slot
Quantum computers gaan de wereld veranderen maar wel op de lange termijn. De crypto- en blockchainwereld moet inderdaad uitkijken voor quantum computing als hun beveiliging op RSA-encryptie is gebaseerd. Toch zal de nieuwe techniek ook nieuwe beveiligingsopties bieden. Crypto heeft daarom niets te vrezen zolang ze blijven door ontwikkelen.
Mocht je aan de hand van deze blog nog met vragen zitten, stel ze dan gerust onderaan dit artikel, bij ons op het Crypto Forum of in de AllesOverCrypto Facebookgroep.
