Wat is quantum computing? Een simpele uitleg

Wat is quantum computing in simpele woorden?

Quantum computing is de manier waarop quantumcomputers berekeningen uitvoeren. Een quantumcomputer is dus het apparaat, terwijl quantum computing verwijst naar de technologie en rekenmethode erachter.

Een quantumcomputer werkt anders dan een klassieke computer. Waar een gewone computer werkt met bits die 0 of 1 zijn, gebruikt een quantumcomputer qubits.

Die qubits kunnen informatie op een andere manier verwerken. Daardoor kunnen quantumcomputers sommige heel specifieke problemen anders aanpakken dan gewone computers. Denk bijvoorbeeld aan het doorrekenen van moleculen voor onderzoek naar nieuwe medicijnen en materialen, of aan bepaalde wiskundige problemen die voor klassieke computers erg veel rekenwerk vragen.

Dat betekent niet dat een quantumcomputer automatisch sneller is. Voor gewone taken, zoals internetten, videobellen, spreadsheets gebruiken of servers draaien, blijft een klassieke computer veel geschikter.

Quantumcomputers zullen gewone computers daarom waarschijnlijk niet vervangen. In de praktijk zullen beide soorten computers eerder naast elkaar worden gebruikt, waarbij een quantumcomputer alleen wordt ingezet voor problemen waarvoor die aanpak echt voordeel kan bieden.

Korte samenvatting

• Quantum computing gebruikt qubits in plaats van alleen gewone bits.
• Qubits kunnen eigenschappen vertonen zoals superpositie en quantumverstrengeling.
• Een quantumcomputer is niet voor elke taak sneller dan een klassieke computer.
• De techniek kan vooral nuttig zijn voor specifieke complexe problemen.
• Een voldoende krachtige quantumcomputer kan op termijn risico's geven voor cryptografie en crypto.

Hoe werkt quantum computing?

Een quantumcomputer voert een berekening uit met qubits. Eerst worden die qubits in een bepaalde begintoestand gebracht. Daarna voert de computer bewerkingen op de qubits uit en aan het einde worden ze gemeten.

Die bewerkingen heten quantumpoorten, of gates. Je kunt ze zien als opdrachten die de toestand van een qubit veranderen. Door meerdere van zulke opdrachten achter elkaar uit te voeren, ontstaat een quantumalgoritme.

Tijdens een berekening kunnen qubits elkaar ook beïnvloeden. Quantumalgoritmes gebruiken dat om de kans op bepaalde uitkomsten groter of kleiner te maken. Het doel is dat de gewenste uitkomst uiteindelijk vaker verschijnt wanneer de qubits worden gemeten.

Na de meting krijg je gewone waarden terug, zoals 0 en 1. Een quantumcomputer geeft dus niet automatisch alle mogelijke antwoorden tegelijk. Het algoritme moet zo zijn opgebouwd dat een bruikbare uitkomst een grote kans heeft om gemeten te worden.

Wat zijn qubits?

Een qubit is de basiseenheid waarmee een quantumcomputer informatie verwerkt. Je kunt een qubit vergelijken met een bit in een gewone computer.

Een gewone bit is 0 of 1. Een qubit werkt anders. Voordat je hem meet, kan zijn toestand zo zijn dat zowel 0 als 1 mogelijke uitkomsten zijn. Pas wanneer je de qubit meet, krijg je één uitkomst te zien: 0 of 1.

Qubits zijn geen gewone computeronderdelen. Onderzoekers kunnen ze bijvoorbeeld maken met zeer kleine elektrische circuits, atomen, ionen of lichtdeeltjes.

Het grote probleem is dat qubits erg gevoelig zijn voor hun omgeving. Warmte, trillingen en elektromagnetische ruis kunnen een berekening verstoren. Daarom is het moeilijk om grote quantumcomputers te bouwen die lang genoeg betrouwbaar kunnen rekenen.

Wat is superpositie (superposition)?

Superpositie is de naam voor het verschijnsel waarbij een qubit vóór de meting niet simpelweg vaststaat op 0 of 1.

Je kunt het zien als meerdere mogelijke uitkomsten die onderdeel zijn van dezelfde quantumtoestand. Bij de meting krijg je uiteindelijk wel maar één uitkomst te zien.

Met twee qubits zijn bijvoorbeeld vier uitkomsten mogelijk:

• 00
• 01
• 10
• 11

Een quantumcomputer kan tijdens de berekening met een toestand werken waarin al deze mogelijkheden een rol spelen. Dat betekent alleen niet dat je na afloop alle vier de antwoorden tegelijk kunt uitlezen. Na een meting krijg je één uitkomst.

Daarom moet een quantumalgoritme de berekening zo sturen dat een bruikbare uitkomst een grotere kans krijgt om gemeten te worden.

Voorbeeld: Stel dat twee qubits uiteindelijk 00, 01, 10 of 11 kunnen opleveren. Een goed quantumalgoritme probeert de kans op de gewenste uitkomst, bijvoorbeeld 10, zo groot mogelijk te maken.

Wat is quantumverstrengeling (quantum entanglement)?

Bij quantumverstrengeling raken twee of meer qubits zo met elkaar verbonden dat je hun toestand niet meer volledig los van elkaar kunt beschrijven.

Stel bijvoorbeeld dat twee qubits zo verstrengeld zijn dat je bij een meting altijd 00 of 11 krijgt. Meet je de eerste qubit als 0, dan meet je de andere in dit voorbeeld ook als 0. Krijg je 1, dan krijg je bij de andere ook 1.

Quantumcomputers kunnen zulke verbanden gebruiken tijdens berekeningen. Samen met superpositie en andere quantumverschijnselen maakt dit berekeningen mogelijk die anders werken dan op een klassieke computer.

Quantumverstrengeling betekent overigens niet dat je informatie sneller dan het licht kunt versturen. Je kunt namelijk niet zelf bepalen welke meetuitkomst je krijgt.

Wat is het verschil tussen quantumcomputers en klassieke computers?

Het belangrijkste verschil is dat een klassieke computer werkt met bits, terwijl een quantumcomputer qubits gebruikt. Een gewone bit is 0 of 1. Een qubit werkt volgens de regels van de quantummechanica en kan daardoor op een andere manier informatie verwerken.

Quantumcomputers gebruiken verschijnselen zoals superpositie (superposition) en quantumverstrengeling (quantum entanglement). Ook werken ze met speciale bewerkingen, quantumpoorten of gates genoemd.

Dat betekent niet dat een quantumcomputer automatisch beter of sneller is. Voor de meeste dagelijkse taken zijn klassieke computers veel geschikter. Denk aan internetten, bestanden verwerken, videobellen of servers draaien.

Quantumcomputers zijn vooral interessant voor een beperkt aantal problemen waarvoor speciale quantumalgoritmes bestaan.

Een ander verschil is dat qubits veel gevoeliger zijn voor verstoringen dan gewone bits. Warmte, elektromagnetische ruis en andere invloeden uit de omgeving kunnen fouten veroorzaken. Daarom is het lastig om grote quantumcomputers te bouwen die lang genoeg betrouwbaar blijven rekenen.

Ook het aantal qubits zegt op zichzelf niet hoeveel een quantumcomputer kan. Het maakt bijvoorbeeld ook uit hoe vaak fouten optreden, hoe goed de qubits met elkaar kunnen samenwerken en hoe goed die fouten kunnen worden gecorrigeerd.

In de toekomst zullen quantumcomputers en klassieke computers waarschijnlijk naast elkaar worden gebruikt. Een klassieke computer kan bijvoorbeeld de gewone verwerking en besturing doen, terwijl een quantumcomputer alleen een specifiek deel van een moeilijke berekening uitvoert.

Waarvoor kan quantum computing worden gebruikt?

Quantum computing kan vooral interessant zijn voor problemen die voor klassieke computers erg moeilijk zijn.

Een belangrijk voorbeeld is het simuleren van de natuur zelf. Moleculen en materialen gedragen zich op zeer kleine schaal volgens de quantummechanica. Een quantumcomputer kan daarom in theorie geschikt zijn om zulke systemen na te bootsen.

Mogelijke toepassingen zijn bijvoorbeeld:

• onderzoek naar nieuwe medicijnen;
• het ontdekken van nieuwe materialen;
• het simuleren van chemische reacties;
• bepaalde plannings- en optimalisatieproblemen;
• bepaalde wiskundige en cryptografische berekeningen.

Bij optimalisatie kun je bijvoorbeeld denken aan het zoeken naar een goede route, productieplanning of logistieke verdeling. Er wordt hier veel onderzoek naar gedaan, maar quantumcomputers hebben nog niet voor elk soort optimalisatieprobleem een bewezen praktisch voordeel.

Een bekend voorbeeld uit de wiskunde is Shor's algoritme. Dat is een quantumalgoritme waarmee een voldoende krachtige quantumcomputer bepaalde wiskundige problemen veel efficiënter zou kunnen oplossen dan bekende klassieke methoden.

Dat is vooral belangrijk voor cryptografie, omdat sommige beveiligingsmethoden juist vertrouwen op het feit dat zulke berekeningen voor gewone computers extreem moeilijk zijn.

Veel toepassingen van quantum computing bevinden zich nog in de onderzoeksfase. Een experiment waarin een quantumcomputer één specifieke taak beter uitvoert, betekent dus niet automatisch dat die technologie al direct bruikbaar is voor bedrijven of consumenten.

Welke invloed heeft quantum computing op cryptografie?

Quantum computing kan in de toekomst gevolgen hebben voor sommige vormen van cryptografie.

Vooral publieke-sleutelcryptografie (public-key cryptography) is belangrijk. Daarbij heb je een publieke sleutel die je met anderen kunt delen en een private key die geheim moet blijven.

De beveiliging van zulke systemen is gebaseerd op wiskundige problemen die voor gewone computers praktisch niet op te lossen zijn binnen een bruikbare tijd.

Een voldoende krachtige quantumcomputer zou sommige van die problemen met Shor's algoritme veel efficiënter kunnen oplossen. Daardoor kunnen bepaalde vormen van encryptie en digitale handtekeningen kwetsbaar worden.

Dat kan op twee manieren gevolgen hebben.

Bij versleuteling kan iemand mogelijk informatie ontsleutelen die geheim moest blijven.

Bij digitale handtekeningen kan iemand mogelijk een geldige handtekening namaken zonder de echte private key te bezitten.

Niet alle cryptografie wordt op dezelfde manier geraakt. Symmetrische encryptie en hashfuncties worden niet op dezelfde fundamentele manier aangevallen door Shor's algoritme.

Voor zulke systemen is vooral Grover's algoritme relevant. Dat kan bepaalde zoekproblemen in theorie versnellen, waardoor een grotere veiligheidsmarge nodig kan zijn.

Er bestaat op dit moment nog geen quantumcomputer die veelgebruikte cryptografie op grote schaal praktisch kan kraken.

Toch bestaat er nu al een risico voor informatie die jarenlang geheim moet blijven. Een aanvaller kan versleutelde gegevens vandaag opslaan en hopen ze later met een krachtigere quantumcomputer te ontsleutelen. Dit wordt harvest now, decrypt later genoemd.

Welke cryptografische methoden kunnen kwetsbaar worden?

Vooral cryptografie die steunt op factorisatie of het discrete-logaritmeprobleem kan kwetsbaar worden voor een voldoende krachtige quantumcomputer.

RSA is daar een bekend voorbeeld van. De beveiliging van RSA steunt op het feit dat het voor gewone computers erg moeilijk is om zeer grote getallen in hun factoren op te splitsen.

Ook Diffie-Hellman, ECDH, DSA, ECDSA en Schnorr-handtekeningen kunnen kwetsbaar worden.

Veel van deze technieken gebruiken het discrete-logaritmeprobleem. Dat is een wiskundig probleem dat voor klassieke computers moeilijk is, maar waarvoor Shor's algoritme een veel efficiëntere aanpak biedt.

Voor crypto is vooral elliptic-curve cryptography, afgekort ECC, belangrijk. Veel blockchains gebruiken ECC om digitale handtekeningen te maken.

Met zo'n handtekening bewijs je dat jij een transactie mag uitvoeren zonder je private key openbaar te maken.

Als een toekomstige quantumcomputer uit een publieke sleutel de bijbehorende private key zou kunnen berekenen, kan een aanvaller mogelijk ook geldige handtekeningen namaken.

Andere technieken, zoals AES en hashfuncties, worden anders geraakt. Grover's algoritme kan bepaalde zoekopdrachten versnellen, maar breekt deze technieken niet op dezelfde manier als Shor's algoritme RSA en ECC kan aantasten.

Wat zijn de beperkingen van quantum computing?

Quantumcomputers hebben nog grote technische beperkingen.

Een belangrijk probleem is dat qubits erg gevoelig zijn voor verstoringen. Warmte, elektromagnetische straling en andere ruis kunnen de quantumtoestand veranderen.

Dat verlies van de gewenste quantumtoestand wordt decoherentie (decoherence) genoemd.

Als er tijdens een berekening te veel fouten ontstaan, is het antwoord niet meer betrouwbaar. Daarom is quantumfoutcorrectie (quantum error correction) belangrijk.

Daarbij worden meerdere fysieke qubits gebruikt om samen één betrouwbaardere logische qubit te vormen.

Dat betekent dat een quantumcomputer met veel fysieke qubits uiteindelijk veel minder bruikbare logische qubits kan hebben.

Ook schaalbaarheid is moeilijk. Het is niet genoeg om simpelweg steeds meer qubits te bouwen. Ze moeten ook goed worden aangestuurd, met elkaar kunnen samenwerken en voldoende lang betrouwbaar blijven.

Daarnaast levert quantum computing niet voor ieder probleem voordeel op. Er moet een quantumalgoritme bestaan dat het probleem op een nuttige manier kan aanpakken.

Quantumcomputers zijn dus geen algemene vervanging voor klassieke computers. Ze zijn vooral bedoeld voor specifieke soorten berekeningen.

Welke risico's brengt quantum computing met zich mee voor crypto?

Voor crypto zit een belangrijk quantumrisico bij digitale handtekeningen.

Veel blockchains gebruiken een publieke en een private sleutel. De private key gebruik je om transacties te ondertekenen. De publieke sleutel kan worden gebruikt om die handtekening te controleren.

Een toekomstige krachtige quantumcomputer kan bij sommige cryptografische systemen mogelijk uit de publieke sleutel de bijbehorende private key berekenen.

Een aanvaller zou dan mogelijk zelf geldige handtekeningen kunnen maken en crypto kunnen verplaatsen zonder toestemming van de echte eigenaar.

Hoe groot dat risico precies is, verschilt per blockchain.

Het hangt bijvoorbeeld af van:

• welke cryptografie de blockchain gebruikt;
• wanneer een publieke sleutel zichtbaar wordt;
• hoe gebruikers hun crypto wallet gebruiken;
• hoe makkelijk het protocol kan worden aangepast.

Ook de overgang naar nieuwe beveiliging kan risico's opleveren.

Niet alleen de blockchain zelf moet nieuwe cryptografie ondersteunen. Ook wallets, crypto exchanges, bewaaroplossingen en andere software moeten op tijd worden aangepast.

Nieuwe post-quantumhandtekeningen kunnen bovendien groter zijn dan huidige handtekeningen. Dat kan gevolgen hebben voor transactiegrootte, opslag, bandbreedte, verwerkingstijd en fees.

Ook systemen buiten de blockchain kunnen worden geraakt. Denk aan versleutelde communicatie, opgeslagen gegevens of andere onderdelen van de infrastructuur rond crypto.

Daar kan harvest now, decrypt later zelfs eerder een probleem worden dan op de blockchain zelf.

Kan quantum computing Bitcoin kraken?

Niet met de quantumcomputers die nu bestaan.

Om Bitcoin praktisch met quantum computing aan te vallen, is een veel krachtigere en fouttolerante quantumcomputer nodig. Zo'n systeem bestaat op dit moment niet en het is niet bekend wanneer dat verandert.

Bitcoin gebruikt elliptic-curve cryptography voor digitale handtekeningen.

Traditionele Bitcoin-transacties gebruiken ECDSA met de secp256k1-curve. Sinds de Taproot-upgrade ondersteunt Bitcoin ook Schnorr-handtekeningen.

Beide technieken kunnen in theorie kwetsbaar worden voor Shor's algoritme.

Een belangrijk detail is wanneer de publieke sleutel zichtbaar wordt.

Bij bepaalde Bitcoin-adressen staat eerst alleen een hash van de publieke sleutel op de blockchain. Wanneer je de bitcoin uitgeeft, wordt de volledige publieke sleutel zichtbaar.

Dat betekent dat het risico niet voor iedere bitcoin op exact dezelfde manier werkt.

Het is daarom te simpel om te zeggen dat een quantumcomputer straks automatisch "Bitcoin kan kraken".

Een aanval hangt onder meer af van hoe krachtig de quantumcomputer is, welke publieke sleutels zichtbaar zijn, hoe snel zo'n aanval kan worden uitgevoerd en hoe het Bitcoin-netwerk daarop reageert.

Hashfuncties zoals SHA-256 worden ook niet op dezelfde manier geraakt als digitale handtekeningen.

Grover's algoritme kan bepaalde aanvallen in theorie versnellen, maar dat is een ander soort risico dan de aanval van Shor's algoritme op elliptic-curve cryptography.

Hoe kunnen blockchains zich beschermen tegen quantumcomputers?

De belangrijkste oplossing is het vervangen van kwetsbare cryptografie door cryptografie die bestand moet zijn tegen quantumaanvallen.

Dat heet post-quantumcryptografie (post-quantum cryptography).

Voor blockchains betekent dit bijvoorbeeld dat er nieuwe soorten adressen en digitale handtekeningen kunnen worden toegevoegd.

Gebruikers kunnen hun crypto vervolgens naar adressen verplaatsen die gebruikmaken van die nieuwe beveiliging.

Een belangrijk begrip hierbij is crypto-agility. Daarmee wordt bedoeld dat een systeem zijn cryptografische beveiliging kan vervangen wanneer dat nodig is.

Dat is voor een blockchain niet eenvoudig. Het protocol moet worden aangepast en wallets, exchanges en andere software moeten de nieuwe regels ondersteunen.

Ook bestaande gebruikers moeten de mogelijkheid krijgen hun crypto veilig te verplaatsen.

Voor Bitcoin kan het daarnaast helpen om adressen en publieke sleutels niet onnodig opnieuw te gebruiken. Daardoor blijft een publieke sleutel minder lang zichtbaar.

Dat is alleen geen volledige oplossing. Wanneer een transactie wordt uitgegeven, kan de publieke sleutel alsnog zichtbaar worden.

Er bestaan daarom ook voorstellen om Bitcoin beter voor te bereiden op een mogelijke quantumdreiging.

Een voorbeeld is Pay-to-Merkle-Root, afgekort P2MR. Dit voorstel probeert langdurige blootstelling van bepaalde publieke sleutels te beperken.

Het is op dit moment slechts een voorstel en geen actieve Bitcoin-regel.

Voor volledige bescherming zouden uiteindelijk ook digitale handtekeningen nodig zijn die tegen bekende quantumaanvallen bestand zijn.

Wat is post-quantumcryptografie?

Post-quantumcryptografie (post-quantum cryptography), vaak afgekort tot PQC, is cryptografie die is ontworpen om bestand te zijn tegen bekende aanvallen van zowel klassieke als quantumcomputers.

PQC draait gewoon op normale computers. Je hebt dus geen quantumcomputer nodig om post-quantumcryptografie te gebruiken.

Dat is iets anders dan quantumcryptografie (quantum cryptography). Daarbij worden eigenschappen uit de quantumfysica zelf gebruikt, bijvoorbeeld om sleutels uit te wisselen.

Bij post-quantumcryptografie wordt juist nieuwe wiskunde gebruikt om bestaande computers beter te beschermen tegen toekomstige quantumaanvallen.

In 2024 werden de eerste belangrijke post-quantumstandaarden gepubliceerd.

Daaronder vallen:

• ML-KEM voor het veilig uitwisselen of afspreken van geheime sleutels;
• ML-DSA voor digitale handtekeningen;
• SLH-DSA voor digitale handtekeningen op basis van hashfuncties.

Deze methoden gebruiken andere wiskundige problemen dan RSA en elliptic-curve cryptography.

Post-quantum betekent niet dat zulke cryptografie voor altijd onbreekbaar is. Cryptografische technieken blijven onderzocht en getest worden.

Voor blockchains zit de uitdaging bovendien niet alleen in het kiezen van een nieuw algoritme. Ook transactiegrootte, verificatiekosten, wallets, sleutelbeheer en compatibiliteit met bestaande systemen spelen een rol.

Conclusie

Quantum computing gebruikt qubits om bepaalde berekeningen anders uit te voeren dan een klassieke computer. Dat kan vooral nuttig zijn voor specifieke moeilijke problemen, zoals het simuleren van moleculen en bepaalde wiskundige berekeningen. Voor gewone computertaken blijft een klassieke computer veel geschikter.

Voor crypto is vooral belangrijk dat toekomstige quantumcomputers sommige vormen van cryptografie kunnen verzwakken. Dat kan gevolgen hebben voor de beveiliging van private keys en digitale handtekeningen. De quantumcomputers van nu zijn nog lang niet krachtig genoeg om Bitcoin of veelgebruikte cryptografie praktisch te kraken.

Toch wordt er nu al gewerkt aan bescherming tegen toekomstige quantumaanvallen. Een belangrijke oplossing is post-quantumcryptografie. Voor blockchains betekent zo'n overstap dat protocollen, wallets en andere systemen op tijd moeten worden aangepast en goed met elkaar moeten blijven samenwerken.