Boekbespreking

Rekenen in een bizarre microkosmos

17 maart 2020 Thomas Wijsman
PDF
In dit artikel:

Altijd al willen weten wat dat is, quantumcomputing? Laat je dan, net als bij mij gebeurde, aangenaam verrassen door de twee zeer toegankelijke publicaties die ik onlangs tegenkwam. Ze maken de geheimzinnige toekomstbeloften ‘quantumcomputer’ en ‘quantuminternet’  toegankelijk voor een breed publiek.

Auteur Georg van Hal
Titel 
De quantumcomputer; Een digitale revolutie op het punt van uitbreken’.

Uitgever en jaar van uitgave Utrecht: Veen Media (reeks: Pocket Science), 2017

ISBN 978-90-8571-602-0

 

Auteur The quantum vision team TU Delft

Titel Quantum Internet; The internet’s next big step
Uitgever en jaar van uitgave Media Solutions, TU Delft, 2019

 

Het terrein van de quantummechanica en de toepassing ervan in de toekomstbeloften quantumcomputer en quantuminternet zijn nauwelijks te bevatten voor de niet ingewijde. In wezen is quantummechanica niet meer of minder dan een complexe verzameling mathematische vergelijkingen. De gemiddelde belangstellende ziet zich onder al dat wiskundige geweld gedwongen af te haken.

De wereld van het superkleine

Wat de begripsvorming ook niet helpt, is het volgende: op de superkleine schaal van de quantummechanica is het niet langer mogelijk om zaken die lastig te doorgronden zijn te verhelderen via analogieën met de direct waarneembare wereld om ons heen. Bij de beschrijving van de ‘gewone wereld’ helpt het bijvoorbeeld om elektromagnetische straling, zoals licht of radiogolven, te vergelijken met golven in het water. Of door te zeggen dat je een atoom kunt zien als een kern van een aantal bij elkaar klittende knikkertjes (‘protonen’ en ‘neutronen’) met daar omheen cirkelende, nog kleinere, knikkertjes (‘elektronen’). Maar in de microkosmos van de quantumwereld worden analogieën al snel erg gekunsteld, zo niet onmogelijk. Zie bijvoorbeeld Schrödingers kat in het gelijknamige tekstkader verderop. Waarmee correspondeert bijvoorbeeld het quantumverschijnsel dat een quantumdeeltje tegelijkertijd op twee of meer verschillende plekken kan zijn? En welke analogie is er voor het verschijnsel dat op het moment dat je gaat ‘kijken’ wat de precieze plaats ervan is, zo’n deeltje zich opeens maar op één van al die plekken bevindt? Het is een wereld waarin onze vertrouwde, zekere, deterministische realiteit vervangen is door een bizar aandoende onzekere, probabilistische werkelijkheid. De quantumwereld is tegenintuïtief.

Quantumcomputing

De Nederlandstalige pocket ‘De quantumcomputer; Een digitale revolutie op het punt van uitbreken’ is geschreven door New Scientist-auteur George van Hal. Met zijn beperkte omvang – een kleine honderd pagina’s – en toegankelijke stijl heb je het in een halve avond uit. Lees het vooral van kaft tot kaft, want het is didactisch opgebouwd. Hierdoor is het een geweldige introductie tot quantumcomputing.

‘Spookachtige kracht’

Onder het kopje ‘Spookachtige kracht’ geeft George van Hal een globale schets van de quantumwereld. Zo bespreekt hij het begrip ‘superpositie’ aan de hand van enkele klassieke experimenten. Een voorbeeld van superpositie is het hierboven besproken verschijnsel dat een quantumdeeltje tegelijkertijd op twee of meer verschillende plekken kan zijn. Een ander voorbeeld is dat de lading van een quantumdeeltje tegelijkertijd zowel 0 als 1 kan zijn – dus tegelijkertijd wel en niet geladen. Vervolgens behandelt hij het verschijnsel ‘verstrengeling’ Quantumdeeltjes die onderling verstrengeld zijn, gedragen zich in zekere zin alsof ze samen één voorwerp zijn. Ze delen hun eigenschappen op zo’n manier dat je het ene deeltje onmogelijk los van het andere kunt zien. En dit ook nog eens ongeacht de afstand tussen de twee deeltjes. Het is bijvoorbeeld mogelijk om twee quantumdeeltjes met elkaar te verstrengelen tot een systeem waarvan je vooraf weet dat wanneer het ene deeltje linksom om zijn as tolt, het andere rechtsom moet tollen – en omgekeerd. Dit kenmerk van het verstrengelde systeem blijft in stand ongeacht hoe ver je de twee deeltjes uit elkaar haalt. Dit maakt verstrengeling tot het basisprincipe voor het toekomstige quantuminternet.

Schrödingers kat
Van Hal beschrijft de beroemde analogie ‘de kat van Schrödinger’. Erwin Schrödinger was een van de grondleggers van de quantummechanica. Hij bedacht het volgende gedachte-experiment – dat was overigens al in 1935… Wie zei daar dat quantummechanica iets nieuws is? Stop een kat in een doos en zorg ervoor dat hij door de uitkomst van een soort loterij zal blijven leven of zal sterven. In de quantumwereld betekent dit dat de kat in de doos tegelijkertijd levend én dood is. Tenminste, totdat iemand de doos opent en kijkt: op dat moment is de kat levend óf dood en niet langer allebei. Deze analogie wordt vaak gebruikt om het quantumbegrip ‘superpositie’ te illustreren. Maar Van Hal wijst erop dat dit niet het doel van Schrödinger was. Zijn betoog was juist dat een theorie die een evident onzinnige voorspelling levert, helemaal niet kan kloppen. Zelfs een van de grondleggers worstelde dus met het bizarre karakter van de quantumtheorie.

Superpositie en verstrengeling: basis voor de quantumcomputer

Van Hal legt uit dat de eigenschappen superpositie en verstrengeling de quantumcoumputer zijn enorme rekenkracht geven. Die kracht is duizelingwekkend groot: een quantumcomputer met n ‘qubits’ – een qubit is het quantumequivalent van de ‘bit’ van de klassieke computer – kan evenveel taken uitvoeren als een klassieke computer met 2n (twee tot de macht n) bits. De rekenkracht van een quantumcomputer neemt dus exponentieel toe met het aantal qubits. Ook legt Van Hal duidelijk uit waardoor het komt dat foutcorrectie een van de grote problemen is bij de constructie van betrouwbare quantumcomputers.

Het quantuminternet

Verstrengeling is het basisprincipe van het quantuminternet. Twee deeltjes in een verstrengeld systeem beïnvloeden elkaar, ook als ze ver van elkaar verwijderd zijn. Dit maakt het mogelijk om informatie als het ware te ‘teleporteren’, te verplaatsen van de ene locatie naar de andere, zonder de twee locaties met elkaar te verbinden. Hoe die communicatie precies plaatsvindt is nog onduidelijk, maar dat het verschijnsel werkelijk bestaat is experimenteel aangetoond. Het mooie van deze communicatie is dat de quantumeigenschappen van het verstrengelde systeem de communicatie niet te onderscheppen maken, waardoor de overdracht absoluut veilig is. Overigens is het zo dat de data via het gewone internet worden verzonden, in elk geval in dit stadium van ontwikkeling. Dit gebeurt versleuteld, en alleen de sleutel wordt via het quantuminternet overgebracht.

De quantumcomputer programmeren

Waar je als buitenstaander niet zo snel aan denkt is dat de werking van een quantumcomputer dusdanig verschilt van de computers van nu, dat er ook geheel andersoortige programma’s voor nodig zijn. Structuren zoals If… then en while-loops zijn bijvoorbeeld niet mogelijk. Ga maar na wat voor omwenteling dat betekent. Wat programmeren betreft zitten we in een situatie vergelijkbaar met die uit de begintijd van de klassieke computer – de jaren veertig en vijftig van de vorige eeuw. Een general purpose quantumcomputer lijkt er voorlopig dan ook niet in te zitten. Op dit moment wordt gewerkt aan software voor de oplossing van specifieke problemen.

Algoritme van Shor

Een van deze problemen is het kraken van versleuteling. De Amerikaanse wiskundige Peter Shor heeft hiervoor een software-algoritme ontwikkeld dat specifiek geschikt is om te draaien op een quantumcomputer. Het wachten is nog op quantumcomputers met voldoende rekenkracht – een kwestie van tijd – en alle bestaande encryptiemethoden kunnen in de prullenbak. Dit doemscenario wordt aangeduid als de cryptocalpyse (crytography-apocalypse). Gelukkig wordt er ook al gewerkt aan nieuwe versleutelingsmethoden, met gebruik van quantumcomputing, die zelfs voor kwantumcomputers te sterk zijn om te kraken.

De publicatie van TU Delft

De andere publicatie is een uitgave van TU Delft in de vorm van een magazine met de titel ‘Quantum Internet; The Internet’s next big step’. TU Delft is een van de technische universiteiten in de voorhoede van het wereldwijde onderzoek naar quantumcomputing en quantuminternet. Dit onderzoek is ondergebracht in het onderzoekscentrum QuTech, opgericht door TU Delft en TNO. Gewapend met de kennis uit de pocket van George van Hal is het een feest om de inhoud van het TU Delft-magazine tot je te nemen. Veel van de onderwerpen die Van Hal bespreekt, vind je erin terug. Sommige zaken worden verder uitgediept, en een en ander wordt verduidelijkt met illustraties. Het geeft een duidelijke schets van de stand van zaken medio 2019. Lineair het magazine doornemen hoeft niet per se. Blader het gerust door en lees de thema’s waar je meer over wilt weten. Bekijk vooral ook de tijdlijn op pagina’s 10 en11 om zicht te krijgen op wat er zit aan te komen op een termijn van een jaar of tien. Anders dan je misschien geneigd bent te denken, zal het quantuminternet er eerder zijn dan de quantumcomputer. Interessant is verder dat het magazine ook de duistere keerzijden van quantumcomputing aanstipt – met gevoel voor symboliek afgedrukt op zwarte pagina’s. Ook de noodzaak van nieuwe governance-mechanismen, gelet op de maatschappelijke gevolgen van quantumcomputing, blijft niet onbelicht.

Tot slot

Het terrein van de quantummechanica en de toepassing ervan in de toekomstbeloften ‘quantumcomputer’ en ‘quantuminternet’ is lastig te doorgronden doordat het tegen de dagelijkse intuïtie in gaat. Maar beide publicaties maken het goed toegankelijk. Dat doen ze op een plezierige manier, via prima te volgen teksten. Samen geven ze een goed inkijkje in deze bevreemdende wereld, die afwijkt van alles wat ons vertrouwd is. En ze laten je achter met het bevredigende gevoel dat je de grote lijnen van quantumcomputing zo ongeveer begrijpt.

Geen categorie
Thomas Wijsman

Drs. Th. (Thomas) Wijsman RE | coach en strategisch adviseur

Gepokt en gemazeld bij de Algemene Rekenkamer is Thomas Wijsman nu actief als coach en strategisch adviseur. Hij is opgeleid in IT, IT-audit, pyschologie en coaching, en combineert zo hard en soft skills. Onlangs adviseerde hij de Georgische Rekenkamer over IT-auditaanpak en inrichting van de IT-auditfunctie. Daarnaast is hij actief in verschillende commissies van Norea.