Twee mijlpalen in het kwantumonderzoek — grote vooruitgang in de efficiëntie van foutcorrectie en de eerste experimentele verificatie van een kernaanname over opschaling — hebben de kansen aanzienlijk veranderd dat een bruikbare kwantumcomputer ergens in het komende decennium wordt gebouwd, aldus Shinobi in de nieuwste papieren editie van Bitcoin Magazine, The Quantum Issue. Zowel alomtegenwoordigheid als gemakkelijke toegang zijn niet gegarandeerd, waarschuwt de auteur, maar de mogelijkheid dat er op korte termijn bruikbare machines verschijnen moet niet worden weggezet.

Het debat over de vraag of een kwantumcomputer een reële bedreiging vormt voor het Bitcoin-netwerk speelt al meer dan tien jaar. De vraag is geworteld in hoe Bitcoin zichzelf beveiligt: het uitgeven van fondsen vereist een digitale handtekening op basis van elliptische krommen, precies het soort wiskundig probleem dat Shor's algoritme in principe zou kunnen kraken op een voldoende krachtige kwantummachine, terwijl de SHA-256-hashing die mining ondersteunt als veel beter bestand wordt beschouwd, aangezien Grover's algoritme slechts een kwadratische versnelling biedt. Het was al ruim 13 jaar geleden een serieus gespreksonderwerp, toen Shinobi voor het eerst met Bitcoin in aanraking kwam. Sindsdien is er aanzienlijke vooruitgang geboekt, zowel in theorie als in praktische engineering. Dat betekent niet automatisch dat de technologie alomtegenwoordig wordt, of zelfs relatief toegankelijk voor partijen met veel kapitaal. Maar het is goed mogelijk dat er op korte termijn meerdere bruikbare machines worden gebouwd.

Verbeteringen in foutcorrectie

eerste grote verbetering zit in foutcorrectie. Om de inherente ruis te compenseren die hoort bij werken op deze microscopicële schaal, is het nodig meerdere redundante fysieke qubits te gebruiken om een logische qubit te produceren die in de praktijk bruikbaar is voor berekeningen.

De eerdere stand van de techniek waren surface codes: een methode om meerdere fysieke qubits in een raster te bundelen en een deel ervan te gebruiken als check-qubits die periodiek hun buren "controleren" om te verzekeren dat er geen interne fouten in de superpositie zijn ontstaan, zonder de superpositie te doen instorten. De lege plekken in elk raster moeten worden opgevuld met check-qubits.

Deze eis van check-qubits zorgt voor extra overhead die in totaal kan oplopen tot bijna 1.000 fysieke qubits per logische qubit, en het probleem wordt groter op schaal omdat check-qubits alleen qubits direct naast hen kunnen controleren. Elke groepering van qubits heeft daarom checkers nodig op gelijkmatige afstanden.

Quantum low-density parity-check (qLDPC) codes nemen deze flessenhals weg, doordat check-qubits qubits op grote afstanden in het apparaat kunnen controleren — hetzij via geïntegreerde sporen die communiceren tussen chipsecties, hetzij door atomen fysiek te verplaatsen, zoals bij het neutral atom-ontwerp. Dit heeft een vermindering van 10x mogelijk gemaakt in het aantal fysieke qubits dat nodig is voor een betrouwbare logische qubit.

Voor het bedreigingsmodel van Bitcoin is die overheadverhouding cruciaal. Elke machine die Shor's algoritme zou kunnen uitvoeren tegen elliptic-curve-handtekeningen zou moeten zijn opgebouwd uit betrouwbare logische qubits, dus hoeveel fysieke qubits elke logische qubit verbruikt bepaalt grotendeels de schaal van de benodigde hardware. Dat is geen winst om te versmaden. Het is misschien geen volledig functionele machine die vooruitgang boekt in efficiëntie, maar het vormt een aanzienlijke efficiëntiewinst in de engineeringprocessen die ten grondslag liggen aan de productie van een volledig functionele kwantumcomputer.

Vooruitgang in het bewijzen van fundamenten

De tweede mijlpaal betreft een fundamentelere vraag: of de aanname dat het toevoegen van meer fysieke qubits leidt tot een afname van de totale ruis in het systeem, in plaats van een toename, daadwerkelijk standhoudt. Dat is op dit punt nog grotendeels theorie — en het is goed om te bedenken dat er tot op vandaag nog nooit een volledig functionele kwantumcomputer is geweest die van begin tot eind een berekening heeft uitgevoerd waar een klassieke computer niet toe in staat is.

Google voerde een experiment uit met zijn Sycamore-chips (en later Willow) om het effect van het toevoegen van meer fysieke qubits experimenteel te verifiëren. Beide zijn supergeleidende processoren, dezelfde brede hardwarefamilie waarvan de fysieke lay-outbeperkingen het qLDPC-werk adresseren, en zij concurreren met neutral atom-ontwerpen die langeafstandsfoutcontroles regelen door atomen fysiek te verplaatsen. Om heel duidelijk te zijn: dit was geenatie van het uitvoeren van berekeningen, maar slechts een demonstratie van het opslaan van informatie in het geheugen zonder dat deze vervalt.

Met logische qubits opgebouwd uit een bundel van 17 fysieke qubits, een bundel van 49 en een bundel van 101, toonde Google aan dat de logische foutkans — de frequentie van gegevenscorruptie — daalde naarmate het aantal fysieke qubits steeg. De test passeerde een kritieke drempel: de logische qubit die werd gevormd uit de onafhankelijke fysieke qubits behield zijn coherentie langer dan enige individuele fysieke qubit waaruit hij bestond.

Ook dit is geen sprong naar een volledig functionele kwantumcomputer die berekeningen uitvoert waar klassieke machines niet toe in staat zijn, maar het is wel aanzienlijke vooruitgang in het bewijzen van een van de fundamentele aannames die aan kwantumcomputers ten grondslag liggen.

AI

Dit zijn niet de enige gebieden waarop betere oplossingen worden gevonden. Kunstmatige intelligentie is een belangrijke component in deze systemen geworden. Ze wordt gebruikt in het daadwerkelijke proces van het lezen en decoderen van informatie van een kwantumcomputer, een grote flessenhals voor het op schaal benutten van dergelijke machines.

AI wordt ook gebruikt bij de ontwikkeling van nieuwe kwantumalgoritmes die zijn geoptimaliseerd voor dit soort machines. Gezien de recente reeks van AI die helpt bij het oplossen — of zelfs weerleggen van bestaande conjecturen van — grote problemen in de wiskunde, is het geen vergezochte sprong om de mogelijkheid van grote doorbraken door AI te overwegen.

AI wordt op dezelfde manier ingezet bij het ontwerpen van de fysieke kwantumcircuits die met verschillende architecturen worden gebouwd. Dat is een echt complex probleem: het vinden van de optimale manier om quantum gates in een fysieke ruimte te rangschikken zodat ruis op kwantumniveau wordt geminimaliseerd, zonder zoveel lege ruimte te creëren dat latentie, inefficiëntie en andere problemen ontstaan.

Dit is een factor die de vooruitgang bij het oplossen van de noodzakelijke fundamentele problemen wel eens enorm kan versnellen.

Vooruitblik

Uiteindelijk komt het, in de ogen van de auteur, neer op één vraag: houdt de aanname dat het toevoegen van meer fysieke qubits ruis vermindert ook stand als het gaat om berekeningen en de actieve manipulatie van kwantuminformatie?

Als die aanname standhoudt — en niet binnenkort experimenteel wordt weerlegd — dan is er een zeer realistisch geval voor een bruikbare kwantumcomputer die binnen tien jaar wordt gebouwd. Er wordt een enorme hoeveelheid middelen in dit probleem gepompt, en er is aanzienlijke, zo niet overweldigende vooruitgang geboekt bij het oplossen van onderdelen ervan. En als fundamenteel een manier bestaat om iets te doen, vinden mensen die meestal wel uit.

Die onzekerheid is niet uniek voor Bitcoin. De bredere security-industrie heeft het langetermijnrisico inmiddels onderkend: in 2024 finaliseerde het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology zijn eerste post-quantum cryptografienormen, met goedgekeurde vervangers voor de public-key-algoritmes die een grootschalige kwantummachine zou kunnen bedreigen. Voor lezers die dit domein volgen zijn de kortetermijnmarkers eenvoudig — of logische qubit-bundels blijven opschalen met dalende foutkansen, en of experimenten overgaan van het opslaan van kwantuminformatie naar het er daadwerkelijk mee rekenen, precies de drempel die de auteur aanwijst als de open vraag.

De boodschap is niet dat het tijd is voor paniek — maar de mogelijkheid moet niet worden weggezet.

Dit stuk is opgenomen in de nieuwste papieren editie van Bitcoin Magazine, The Quantum Issue, en wordt hier gedeeld als een vroege blik op de ideeën die in de volledige editie worden verkend. Het verscheen voor het eerst op Bitcoin Magazine en is geschreven door Shinobi.