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.''