Quantumcomputers zullen naar verwachting disruptief zijn en mogelijk een impact hebben op veel industriële sectoren. Dus besloten onderzoekers in het Verenigd Koninkrijk en Nederland om twee heel verschillende kwantumproblemen te onderzoeken:het breken van de codering van Bitcoin (een digitale valuta) en het simuleren van het molecuul dat verantwoordelijk is voor biologische stikstofbinding.

In AVS Quantum Science , beschrijven de onderzoekers een tool die ze hebben gemaakt om te bepalen hoe groot een kwantumcomputer moet zijn om dit soort problemen op te lossen en hoe lang het duurt.

"Het merendeel van het bestaande werk op dit gebied is gericht op een bepaald hardwareplatform, supergeleidende apparaten, zoals die waar IBM en Google naartoe werken", zegt Mark Webber van de Universiteit van Sussex. "Verschillende hardwareplatforms zullen sterk variëren op basis van belangrijke hardwarespecificaties, zoals de snelheid van bewerkingen en de kwaliteit van de controle op de qubits (kwantumbits)."

Veel van de meest veelbelovende toepassingen van kwantumvoordeel vereisen een op fouten gecorrigeerde kwantumcomputer. Foutcorrectie maakt het mogelijk om langere algoritmen uit te voeren door inherente fouten in de kwantumcomputer te compenseren, maar dit gaat ten koste van meer fysieke qubits.

Stikstof uit de lucht halen om ammoniak voor meststoffen te maken is extreem energie-intensief en verbeteringen aan het proces kunnen zowel de wereldvoedselschaarste als de klimaatcrisis beïnvloeden. Simulatie van relevante moleculen ligt momenteel buiten de mogelijkheden van zelfs 's werelds snelste supercomputers, maar zou binnen het bereik moeten liggen van de volgende generatie kwantumcomputers.

"Onze tool automatiseert de berekening van de overhead voor foutcorrectie als functie van belangrijke hardwarespecificaties", aldus Webber. "Om het kwantumalgoritme sneller te laten werken, kunnen we meer bewerkingen parallel uitvoeren door meer fysieke qubits toe te voegen. We introduceren extra qubits als dat nodig is om de gewenste runtime te bereiken, die kritisch afhankelijk is van de snelheid van bewerkingen op het fysieke hardwareniveau."

De meeste hardwareplatforms voor kwantumcomputers zijn beperkt, omdat alleen qubits direct naast elkaar rechtstreeks kunnen communiceren. Op andere platforms, zoals sommige ontwerpen met ingesloten ionen, bevinden de qubits zich niet in vaste posities en kunnen ze fysiek worden verplaatst, wat betekent dat elke qubit rechtstreeks kan communiceren met een groot aantal andere qubits.

"We hebben onderzocht hoe we het beste kunnen profiteren van deze mogelijkheid om verre qubits met elkaar te verbinden, met als doel problemen in minder tijd op te lossen met minder qubits", zegt Webber. "We moeten doorgaan met het aanpassen van de foutcorrectiestrategieën om de sterke punten van de onderliggende hardware te benutten, wat ons in staat zou kunnen stellen om zeer ingrijpende problemen op te lossen met een kleinere kwantumcomputer dan eerder werd aangenomen."

Kwantumcomputers zijn exponentieel krachtiger in het doorbreken van veel encryptietechnieken dan klassieke computers. De wereld gebruikt RSA-codering voor het grootste deel van zijn beveiligde communicatie. RSA-codering en degene die Bitcoin gebruikt (elliptic curve digital signature-algoritme) zal op een dag kwetsbaar zijn voor een kwantumcomputeraanval, maar vandaag kan zelfs de grootste supercomputer nooit een serieuze bedreiging vormen.

De onderzoekers schatten de grootte die een kwantumcomputer moet hebben om de versleuteling van het Bitcoin-netwerk te doorbreken binnen de korte tijd dat het een bedreiging zou vormen om dit te doen - tussen de aankondiging en integratie in de blockchain. Hoe hoger de vergoeding die voor de transactie wordt betaald, hoe korter deze periode zal zijn, maar deze varieert waarschijnlijk van minuten tot uren.

"State-of-the-art kwantumcomputers hebben tegenwoordig slechts 50-100 qubits", zegt Webber. "Onze geschatte vereiste van 30 [miljoen] tot 300 miljoen fysieke qubits suggereert dat Bitcoin voorlopig als veilig moet worden beschouwd voor een kwantumaanval, maar apparaten van deze omvang worden over het algemeen als haalbaar beschouwd en toekomstige ontwikkelingen kunnen de vereisten verder verlagen.

"Het Bitcoin-netwerk zou een 'hard-fork' kunnen uitvoeren op een kwantumveilige versleutelingstechniek, maar dit kan leiden tot netwerkschaalproblemen vanwege een grotere geheugenbehoefte."

De onderzoekers benadrukken de mate van verbetering van zowel kwantumalgoritmen als foutcorrectieprotocollen.

"Vier jaar geleden schatten we dat een apparaat met ingesloten ionen een miljard fysieke qubits nodig zou hebben om de RSA-codering te doorbreken, waarvoor een apparaat nodig was met een oppervlakte van 100 bij 100 vierkante meter", zegt Webber. "Nu, met verbeteringen over de hele linie, zou dit kunnen leiden tot een dramatische reductie tot een oppervlakte van slechts 2,5 bij 2,5 vierkante meter."

Een grootschalige foutgecorrigeerde kwantumcomputer zou in staat moeten zijn om belangrijke problemen op te lossen die klassieke computers niet kunnen.

"Het simuleren van moleculen heeft toepassingen voor energie-efficiëntie, batterijen, verbeterde katalysatoren, nieuwe materialen en de ontwikkeling van nieuwe medicijnen", zegt Webber. "Over de hele linie zijn er nog meer toepassingen, waaronder voor financiën, big data-analyse, vloeiende stroom voor vliegtuigontwerpen en logistieke optimalisaties."