Waar we in een vorige post hebben gezien waar de fundamenten van quantum computing liggen en wat de theoretische mogelijkheden zijn, dan gaan we nu eens kijken hoe het op het vlak van technische realisaties is gesteld.

Misschien toch nog eens kort het belangrijkste herhalen:

• Qubits (quantum bits)  zijn superpositie van twee toestanden. Ze stellen niet 0 of 1 voor, maar beide tegelijk.
• Als je een qubit meet, dan krijg je één van de twee mogelijke toestanden. Je beïnvloedt het systeem door een meting. Dat betekent ook dat qubits heel gevoelig zijn aan externe verstoringen.
• Qubits kunnen met elkaar verstrengeld worden (entanglement). Dit betekent dat hun toestanden gekoppeld zijn en als je de ene verstrengelde qubit meet, dan bepaal je ook de toestand van de andere.

Quantum Computer in de ALDI?

Het technologisch landschap van quantum computing  kan je vergelijken met de begindagen van de computer waar men gebruik maakte van buislampen in plaats van transistors. Eén computer nam een zaal in beslag, zelfs science fiction schrijvers gingen uit van grote gebouwen die één enkele computer zou bevatten. De komst van de transistor en de miniaturisatie van alle electronicacomponenten hebben dit beeld grondig veranderd. We zitten voor quantum computers nog in het stadium waar men de eerste “buislampen” aan het testen is. Het gaat om de fundamentele component, namelijk de realisatie van één of meerdere qubits.

Ion trap – Innsbruck, Oostenrijk – M. Nolf

Er zijn verschillende strategieën om qubits te maken, je komt daar termen tegen zoals NMR, quantum dots, ion traps (waarvoor de nobelprijs in 2012 werd uitgereikt), SQUIDS (supergeleidende systemen) en Majorana-deeltjes.  Een belangrijk probleem is dat van de levensduur van een qubit en de “entanglement” met andere qubits. Deze moet lang genoeg zijn om computationele bewerkingen uit te voeren. De omgeving kan een destructieve invloed hebben op hetgeen men de coherentie noemt van het quantumsysteem (resultaat is decoherentie).  Je moet het systeem dus aan de ene kant voldoende afschermen om de qubits stabiel te houden en aan de andere kant moet je middelen hebben om de qubits uit te lezen. Daar komt momenteel heel wat materiaal bij kijken, zoals vacuümkamers, lasers en koelsystemen die het geheel afkoelen tot dicht tegen het absolute nulpunt (-273°C).

Met qubits alleen ben je natuurlijk niet veel, alle klassieke systemen errond zoals registers/geheugen en communicatiemiddelen heb je ook nodig om een volledig werkend systeem te hebben. Men heeft al concrete experimenten uitgevoerd met bijvoorbeeld de factorisatie van een getal, zij het een klein getal (21). De actuele proefopstellingen zijn systemen met slechts enkele qubits.

Het mag dus duidelijk zijn dat algemeen beschikbare quantum computers nog vele jaren weg zijn. Met regelmaat van de klok komen wetenschappers op de proppen met andere manieren om qubits te realiseren. De evolutie in dit domein gaat razendssnel.  Het is ook nog maar de vraag of er men ooit zal kunnen bouwen met de kracht die men er theoretisch aan toekent. Dat zal pas duidelijk worden als men systemen heeft gebouwd met een voldoende aantal qubits.

Quantum cryptografie / Quantum Key Distribution

Dan rest ons nog een laatste “quantum”-onderwerp namelijk het gebruik van quantumeffecten in versleutelde communicatie. Dit is een domein waar er al reële implementaties zijn. Men spreekt soms van quantum cryptografie maar eigenlijk is dit “Quantum Key Distribution”.

© Emil Myrsell

In een cryptografische communicatie is het de bedoeling dat twee partijen (in voorbeelden zijn dit meestal Alice en Bob) een boodschap kunnen uitwisselen zonder dat een derde partij (Eve) deze communicatie onderschept en ontcijfert. Het belangrijkste element is de sleutel die wordt gebruikt om de communicatie te versleutelen. In klassieke cryptografie heb je symmetrische en asymmetrische versleuteling. In een symmetrisch systeem gebruiken zowel Alice als Bob dezelfde sleutel. Het grote probleem is dat je een veilige manier moet hebben om deze sleutel uit te wisselen vooraleer je aan de versleutelde communicatie begint. Daarom is een asymmetrisch systeem een betere optie. Hierbij zijn er twee gekoppelde sleutels per partij, namelijk een private en publieke sleutel. Als Bob een versleuteld bericht wil sturen naar Alice dan zal hij de boodschap versleutelen met de publieke sleutel van Alice. Enkel Alice kan dan met haar private sleutel het bericht ontcijferen. Het asymmetrische systeem is gebaseerd op sterke wiskundige principes, maar af en toe moet men toch overstappen naar nieuwere algoritmen of langere sleutels.

Met Quantum Key Distribution (QKD) kun je bij het symmetrische systeem blijven met de garantie dat de sleutel op een veilige manier verstuurd wordt. De basisidee is heel simpel: in quantum mechanica verstoor je een systeem door een meting uit te voeren. Dus als een tussenliggende partij de sleutel onderschept (en repliceert om ongezien te blijven), dan kunnen de twee eindpunten dit te weten komen.

De gebouwde systemen zijn momenteel gebaseerd op het versturen van fotonen (lichtdeeltjes) en het meten van hun polarisatie. Er zijn een aantal cryptografische protocols met namen zoals BB84 en E91, beiden vernoemd naar hun bedenkers en het jaartal. Het grootste verschil tussen beide is dat E91 gebruik maakt van verstrengelde fotonen en BB84 niet.

BB84 werkt in grote lijnen als volgt (vereenvoudigd voorgesteld in de figuur en meer uitgebreid in deze afbeelding)

• Alice stuurt een reeks fotonen die zich in een bepaalde polarisatie bevinden.
• Bob meet die deeltjes met willekeurige polarisatiefilters.
• Ze vergelijken dan via een open/klassiek communicatie kanaal op welke manier de meting werd uitgevoerd (niet de resultaten van de meting) en op basis daarvan wordt de sleutel bepaald.
• Als er een derde partij de deeltjes onderschept dan kunnen Bob en Alice bepalen dat dit gebeurd is door een deel van de sleutel te vergelijken.
• Nadat de sleutel is vastgelegd, kan men via klassieke weg versleutelde berichten met elkaar uitwisselen.

Er zijn al commerciële systemen op de markt die QKD mogelijk maken, zoals dit van IDQuantique. Men gebruikt een optische vezel om de sleutel uit te wisselen. Met behulp van heel zwakke lichtbronnen (één foton per keer) verstuurt men de sleutels. Er is echter nog een beperking op de afstand die men kan overbruggen (ongeveer 200km), dit omdat men het lichtsignaal niet kan versterken zonder het systeem te verstoren. Men voert ook experimenten uit om dit via rechtstreekse verbindingen te doen door de lucht of dit te proberen realiseren in de ruimte. Recent was er ook het bericht over de het gebruik van een quantum-netwerk in de laboratoria van Los Alamos in de VS. Dat geeft aan dat men op het gebied van QKD al ver staat met systemen die klein genoeg zijn om commercieel volledig bruikbaar te worden.

Ondanks de garantie aan de hand van fysische principes dat de communicatie op een perfect veilige manier kan gebeuren, is de technische implementatie ervan niet evident. De realisatie van een dergelijk systeem is nog steeds gevoelig voor veiligheidsinbreuken, zij het dan in de systemen errond.

Zo zijn we bij het einde gekomen van de blogposts rond quantum computing en quantum key distribution. We staan nog aan het begin van de technologische ontwikkelingen in dit domein en kunnen de komende jaren nog veel horen over successen en mislukkingen in dit gebied.