Claim: een quantumcomputer kan nu al

Laten we eens ophouden met alleen fundamenteel onderzoek doen naar onderdelen van de quantumcomputer, en gewoon nu, met brute kracht als het ware, een quantumcomputer bouwen met de spullen die we al hebben. Dat is, vrij vertaald, de boodschap van Winfried Hensinger en zijn collega’s. In het open access tijdschrift Science Advances ontvouwen zij deze week hun blauwdruk voor een quantumcomputer die is opgebouwd uit vele duizenden identieke blokken. In elk blok, ter grootte van een handpalm, zitten 2500 qubits, de fundamentele bouwstenen van een quantumcomputer.

De schaalvergroting die zij voorstellen is nogal adembenemend: prototypes van quantumcomputers die men nu werkend probeert te krijgen in laboratoria hebben vijf of tien qubits. Dat is te weinig om serieuze berekeningen mee te doen, maar ook dan het is al moeilijk genoeg om de qubits te laten samenwerken zonder dat ze vervallen tot ordinaire, digitale bits.

In twee toestanden tegelijk

Want dat is de kern van de quantummagie: een qubit is een atoom of deeltje dat in twee verschillende toestanden kan zijn (overeenkomend met 0 of 1), maar dat nog niet gekozen heeft voor één van de twee, en daardoor in beide toestanden tegelijk verkeert. Bovendien kunnen twee of meer (zeg, n) qubits verstrengeld zijn, waardoor ze samen in 2n toestanden tegelijk verkeren.

Vervolgens moeten er nog allerlei hoogst ingewikkelde dingen gebeuren om deze qubits een klus uit te laten voeren. Maar de essentie is dat n qubits in zekere zin 2n mogelijke uitkomsten van zo’n klus tegelijk verkennen, en dan met z’n allen de enige juiste uitkomst kunnen laten zien. Dit in schril contrast met een gewone computer die met bits werkt (informatie-eenheden die 0 of 1 zijn), waardoor die alle mogelijkheden één voor één moet uitproberen. Vandaar dat quantumcomputers voor sommige rekenklussen exponentieel sneller werken dan gewone.

Ion in virtueel kooitje

De onderzoekers omschrijven de vooralsnog naamloze gigant als een microwave trapped ion quantumcomputer. Trapped ion slaat op het type qubit: één ion (een atoom met een plus- of minlading) dat gevangenzit in een virtueel kooitje van magnetische velden. Zulke qubits zijn relatief stabiel en vrij goed manipuleerbaar. Microwave betreft het type straling waarmee de qubits verstrengeld worden.

Een groot verschil met de kleinschalige prototypes die nu ontwikkeld worden, is dat de qubits niet allemaal individueel met zeer nauwkeurig uitgelijnde laserstralen hoeven te worden aangestuurd. Bij duizenden qubits zou je dan duizenden van die laserstralen nodig hebben, wat in de praktijk niet te doen is. In plaats daarvan is de architectuur zodanig, dat de qubits om beurten met één globale laser kunnen worden uitgelezen. Ook wordt een flink deel van de benodigde technieken en materialen nu al toegepast in de fabricage van chips voor gewone computers.

Zoals te verwachten, is zo’n ‘makkelijke’ oplossing niet gratis; vergeleken met de kleinschalige prototypes zijn veel meer qubits nodig om een bepaalde rekenklus te klaren. Om onvermijdelijke fouten en onnauwkeurigheden te corrigeren, zijn allerlei foutcorrigerende procedures nodig die de imperfecte verstrengeling van vele qubits omzet in bijna perfecte verstrengeling van enkele qubits.

Meesterproef

In theorie kan een perfecte quantumcomputer al met vijftig qubits elke reguliere computer ver achter zich laten qua rekenkracht. Voor een praktisch bruikbare quantumcomputer met individueel aangestuurde qubits ging men tot nu toe uit van enige honderden tot duizenden qubits.

Vaak wordt als meesterproef voor een quantumcomputer een specifieke rekenklus genomen, namelijk met het algoritme van Shor een RSA-sleutel van 2048 bits kraken. RSA is het meest gebruikte geheimschrift voor databeveiliging op internet. Zo’n sleutel bestaat uit een groot getal (hier dus van 2048 bits, ofwel 617 decimale cijfers), dat het product is van twee priemgetallen van elk ongeveer 308 decimale cijfers. Alle gewone computers op aarde samen kunnen vrijwel zeker nog in geen miljard jaar die twee priemgetallen vinden. Op het moment dat RSA gekraakt wordt – of bij het minste of geringste vermoeden dat dit kan – stort de veiligheid van internet en het vertrouwen in het betalingsverkeer ineen.

Hensinger maakte een schatting hoe zijn quantumcomputer zou presteren op deze meesterproef. Bij een omvang van ongeveer twee miljard qubits (ofwel een vierkant met zijden van honderd meter; twee voetbalvelden) zou het apparaat er ongeveer 110 dagen over doen om de sleutel te kraken. Een RSA-sleutel van 1024 bits (een nog veel gebruikte lengte op internet) bezwijkt al na een week of twee.

Hensinger en zijn team erkennen dat er op onderdelen wel degelijk nog technische uitdagingen zijn. Maar ze zijn er volkomen van overtuigd dat die snel te overwinnen zijn, als iemand er maar een slordige honderd miljoen euro voor over heeft. Zodra de Amerikaanse (of Chinese of Russische) veiligheidsdienst dat ook gelooft, bestelt die er meteen vijf.