Alles tegelijk - Dirk van Delft

BEOEFENAREN QUANTUM COMPUTING ZOEKEN NIEUWE TOEPASSINGEN

Quantum computing is `in'. Het kan leiden tot een nieuw type computer dat sommige notoir lastige problemen veel makkelijker de baas kan dan de machines van nu. Maar welke?

Quantum information processing belooft de toekomst radicaal te veranderen. Maar voorlopig maakt pionier David DiVincenzo van het IBM Watson Research Center in het Trippenhuis aan de Amsterdamse Kloveniersburgwal nog gebruik van vertrouwde middelen. Terwijl de frêle Amerikaan, bamboe-aanwijsstok in de hand, uitlegt hoe `Bob' en `Alice' elkaar nóg efficiënter boodschappen kunnen sturen dan via quantumteleportatie mogelijk is, legt hij zijn volgende handbeschreven sheet op de overhead projector. Geen laserpointer of laptop te zien.
 


Foto-onderschrift:
Elektronenmicroscopische opname van een aluminiumring met toevoerdraden die de Delftse onderzoeksgroep van prof.dr. Hans Mooij hoopt toe te passen als basiseenheid van een te bouwen quantumcomputer.

Deze week waren 150 informatici uit 24 landen in Amsterdam bijeen voor de vierde Workshop on Quantum Information Processing. Gastheer was het CWI (Centrum voor Wiskunde en Informatica), in het bijzonder de groep Quantum Computing onder leiding van Harry Buhrman. Buhrman is afgelopen december benoemd tot deeltijdhoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam. Niet het bouwen van een quantumcomputer was aan de orde - een klus waar fysici hun handen vol aan hebben - maar wat je ermee kunt.

Dat is in potentie heel wat. Werkt een gewone computer met bits die op 0 of 1 staan, een quantumcomputer heeft als basiseenheid de qubit. Die verkeert in een samengestelde toestand van 0 én 1, waarvan er oneindig veel zijn. Bij het draaien van een programma worden sommige van die samengestelde toestanden via interferentie versterkt, terwijl andere juist uitdoven. Op die manier tast een quantumcomputer alle mogelijke oplossingen tegelijk af, waardoor hij sommige problemen die zeer veel rekenstappen vergen in principe veel sneller de baas kan dan een klassieke computer.

Zoals het ontbinden van reuzengetallen in priemfactoren (getallen die slechts deelbaar zijn door 1 en door zichzelf), van groot belang in de cryptografie. Iedereen ziet dat 21 te schrijven valt als 3 keer 7, maar bij grotere getallen loopt het aantal stappen dat een algoritme (een rekenprocedure) nodig heeft om de priemfactoren te vinden exponentieel op. In 1994 ontdekte de Amerikaanse informaticus Peter Shor dat een quantumcomputer dit kraken van reuzengetallen veel sneller kan. Opeens stond quantum computing volop in de schijnwerpers. Als een der eerste in Europa zette het CWI in 1995 een aparte groep op het nieuwe vakgebied en inmiddels heeft de EU quantum computing aangewezen als een van de zwaartepunten in haar programma voor fundamenteel onderzoek.

``Het resultaat van Peter Shor was waanzinnig verrassend'', zegt Buhrman aan de lunch in lokaal 't Loosje op de Nieuwmarkt. ``Het heeft duidelijk als een katalysator gewerkt. Inmiddels is er één andere toepassing bijgekomen, een quantumalgoritme van Lov Grover om in een database te zoeken. Het is minder spectaculair dan dat van Shor, een kwadratische speed up in plaats van een exponentiële, maar ook dat betekent een forse winst in efficiency. Er wordt nu koortsachtig gezocht naar nieuwe algoritmes. Als Shor en Grover, inclusief de side steps, de enige toepassingen blijven, denk ik dat de quantumcomputer geen lang leven beschoren zal zijn.''

TANDARTS
Op de Amsterdamse workshop zijn de laatste onderzoeksresultaten gepresenteerd. Zo bekijkt het CWI samen met twee Canadese groepen of quantumcomputers te koppelen zijn. Buhrman: ``Stel, je wilt een afspraak maken met de tandarts. Dan zijn er twee partijen met een agenda voor hun neus. De communicatie loopt dan als volgt. `Kan het vrijdagmiddag?' `Nee, wat dacht u van maandagmorgen?' `Kan ik niet'. Enzovoort. Met gebruikmaking van quantumcomputers is dat type probleem veel sneller op te lossen. Een andere (nog onopgeloste) kraker is de zogeheten graaf-isomorfie. De vraag is dan of twee netwerken die er verschillend uitzien in wezen hetzelfde zijn of niet. Dat is van groot belang bij het ontwerpen van bedradingsschema's.''

Het is onder andere om die reden dat bedrijven als IBM, AT, T, Hewlett Packard en Microsoft eigen onderzoeksgroepjes hebben op het gebied van quantum informatica. Hun aantrekkingskracht (en die van het bedrijfsleven in het algemeen) maakt het Buhrman lastig om aan goede promovendi te komen. Bij studenten heeft hij over belangstelling niet te klagen: ``Afgelopen trimester gaf ik voor vierdejaars college quantum computing. Er kwamen ruim 50 studenten op af. Nu vallen er gaandeweg heel wat af, maar voor zo'n pittig vak, waarbinnen theoretische informatica, wiskunde en quantummechanica samenkomen, is dat beslist een hoog aantal. Het onderwerp leeft.''

Ook onderzoekers van de NSA, de Amerikaanse National Security Agency, waren in Amsterdam van de partij. Buhrman: ``Veel mensen zitten helemaal niet te wachten op een quantumcomputer. De huidige cryptografische systemen hebben als sleutels reuzengetallen die een normale computer niet kan kraken. Betalen via het internet, iets wat een hoge vlucht aan het nemen is, kan aldus op een absoluut veilige manier. Zulke protocollen zijn, zodra het algoritme van Shor echt gebruikt kan worden, in één klap onbetrouwbaar. Daar staat tegenover dat je met quantumcryptografie boodschappen kunt versturen die niet zijn af te luisteren. Schema's om langs die weg sleutels te verdelen zijn al bijna op de markt.''

De NSA houdt graag een vinger aan de pols, zo merkte Buhrman. ``Begin vorig jaar had ik samen met collega's uit Aarhuus en Parijs een artikel klaar over een nieuw soort algoritme dat, zo bleek, ook door Mark Heiligman van de NSA was bedacht - hij is op de workshop aanwezig. We hebben toen besloten om samen te publiceren. Later vroeg hij me of ik een onderzoeksvoorstel wilde indienen dat de NSA dan zou financieren. Ik weet nog niet of ik het doe.''