De kwantumcomputer: het is niet de vraag óf die er gaat komen, maar wannéér. Sinds de Britse natuurkundige David Deutsch in 1985 voor het eerst een beschrijving maakte van een quantum Turing machine, ofwel een universele kwantumcomputer, heeft het idee wetenschappers niet meer losgelaten. En over twintig jaar zullen grote universele kwantumcomputers die cryptografie kunnen kraken realiteit zijn. ‘Daar zijn nagenoeg alle experts het over eens. Maar over vijftien jaar kan het ook al zo ver zijn. En misschien zelfs al over vijf jaar’, vertelt Simona Samardjiska, universitair docent Digital Security aan de Radboud Universiteit.
Die kwantumcomputer zal een gigantische stap in onze digitale ontwikkeling betekenen, legt Samardjiska uit. ‘Waar een klassieke computer werkt met bits die alleen 0 of 1 kunnen zijn, maakt een kwantumcomputer gebruik van qubits, die de toestand 1 of 0 kunnen vertegenwoordigen, maar ook elke lineaire combinatie (superpositie) van beide basistoestanden kunnen aannemen.’ Hierdoor kunnen kwantumcomputers functies op invoergegevens in superpositie evalueren, wat kan leiden tot veel snellere algoritmen dan bij klassieke computers.
Tot de zon uitdooft
Al in de jaren negentig ontwikkelden computerwetenschappers Peter Shor en Lov Grover algoritmes die, mits ze draaien op een kwantumcomputer, een aanzienlijke versnelling van bepaalde processen zouden opleveren. ‘Het algoritme van Grover versnelt het doorzoeken van ongestructureerde gegevens, terwijl het algoritme van Shor een bepaald type wiskundige problemen veel sneller oplost.’ Hoeveel sneller? ‘Waar het huidige computers tot het uitdoven van de zon zou kosten om bepaalde problemen op te lossen, kan een kwantumcomputer diezelfde problemen binnen dagen, uren of zelfs minuten oplossen.’
Daarmee biedt de kwantumcomputer tal van mogelijkheden. ‘Denk aan simulaties van het gedrag van moleculen als manier om sneller medicijnen te ontwikkelen.’ Helaas zijn er, zoals bij iedere technologie, ook minder positieve toepassingen waarmee we rekening moeten houden. ‘Veel van de traditionele cryptografie die ten grondslag ligt aan onze digitale beveiliging is kwetsbaar voor het algoritme van Shor. Van wifi-beveiliging en de versleuteling van instant messaging-apps tot het inloggen op servers en de beveiliging van internetbankieren.’
Nieuwe beveiliging
Daarom is het noodzakelijk dat onze digitale communicatie (bijvoorbeeld met onze bank) en onze opgeslagen gegevens (zoals persoonlijke of vertrouwelijke gegevens) op een nieuwe manier beveiligd gaan worden, namelijk met post-quantumcryptografie. Eenvoudig gezegd komt dit neer op het ontwikkelen van nog complexere wiskundige problemen, die zelfs voor de kwantumcomputer niet op te lossen zijn. En dat ontwikkelen verloopt voortvarend: ‘Op dit moment wordt volgens een analyse van netwerkbedrijf Cloudflare al vijftig procent van de TLS-verbindingen (beveiligde verbindingen op het internet) beveiligd met post-kwantumcryptografie. De komende jaren moeten we zoveel mogelijk belangrijke digitale systemen op die manier beveiligen zodat ze straks niet kwetsbaar zijn.’
Daarnaast moet post-quantumbeveiliging nu al op de agenda staan voor projecten van de toekomst, benadrukt Samardjiska. ‘Stel je ontwerpt een nieuw vliegtuig of een elektriciteitsnet; de kans is groot dat deze over dertig of veertig jaar nog steeds in gebruik zijn. Dan wil je niet dat de digitale beveiliging over een jaar of vijftien al te kraken is.’
Andere reden om eerder vandaag dan morgen over te stappen op post-quantumcryptografie is het zogenaamde store now, decrypt later. ‘Het is bekend dat sommige veiligheidsdiensten versleuteld verkeer verzamelen dat ze met de huidige technologie niet kunnen ontcijferen, maar in de toekomst wél, met behulp van een kwantumcomputer.’
Experts van over de hele wereld
Samardjiska en haar collega’s dragen op twee manieren bij aan de ontwikkeling van nieuwe vormen van cryptografie. ‘Allereerst helpen we nieuwe algoritmen te ontwerpen die niet te kraken zijn met een kwantumcomputer. Daarnaast testen we hoe veilig de door anderen ontwikkelde cryptografie is.’
De naderende komst van de kwantumcomputer maakt het spannend om nu onderzoek te doen op het gebied van digital security. ‘We werken er samen aan met experts van over de hele wereld, dus ik vertrouw erop dat we onze belangrijke data weten te blijven beveiligen.’