Nederlandse simulatie moet programmeurs kennis laten maken met quantumnetwerk

Verschillende partijen werken samen om het eerste programmeerbare quantumnetwerk in de Randstad op te zetten. Zo'n quantuminternet moet veiligere verbindingen bieden. Volgend jaar moet een simulatie gereed zijn waarmee programmeurs kunnen oefenen.

Komt het eerste volledige quantumnetwerk ter wereld in Nederland? Als het aan Stephanie Wehner van QuTech's Quantum Internet Division ligt wel. Die onderzoeksgroep is samen met KPN, SURF en OPNT een project gestart om verschillende quantumprocessors over een langere afstand in een Nederlands netwerk te verbinden. Uiteindelijk moet er een volledig functioneel en schaalbaar quantumnetwerk ontstaan, dat 'gewoon' over glasvezelkabels werkt. En op dat netwerk moeten bruikbare software-applicaties draaien. Bij de zoektocht naar welke applicaties dat zijn en hoe die er uit zien, kunnen ontwikkelaars volgend jaar helpen. Dan moeten een gesimuleerd netwerk en een sdk beschikbaar komen.

Demonstraties van quantumnetwerken zijn er al jaren, maar daarbij ging het vrijwel altijd om point-to-point-verbindingen voor 'quantum key distribution'. Hierbij wordt gebruikgemaakt van qubits, meestal fotonen, om veilig cryptografische sleutels uit te wisselen. Partijen wisselen dan door middel van een relatief eenvoudig quantumkanaal sleutels uit en die gebruiken ze voor de encryptie van communicatie via een regulier kanaal. KPN zelf test al sinds 2016 met qkd-verbindingen.

Het project van QuTech, KPN, SURF en OPNT richt zich op een volledig functioneel quantuminternet, legt Wehner uit. "We werken toe naar een volledige quantuminternetstack. We bouwen een software development kit zodat programmeurs zelf toepassingen voor een quantumnetwerk kunnen ontwikkelen. Daarbij kan het om quantum key distribution gaan, maar ook om totaal andere toepassingen."

Man-in-the-middle

De basis van het quantumnetwerk dat in de Randstad aangelegd moet worden, ligt bij de verstrengeling van qubits. Dit quantummechanische effect maakt dat een meting aan het ene deeltje perfect overeenkomt met de uitkomst van een meting aan een verstrengeld deeltje, ook al is deze uitkomst niet van tevoren vastgelegd. Dit is het geval ongeacht de afstand tussen de deeltjes en de uitkomst zal altijd hetzelfde zijn. De beveiliging van quantumnetwerken berust op het feit dat qubits niet gekopieerd kunnen worden en elke poging daartoe te detecteren is. Met andere woorden, de verstrengeling is niet te delen met een derde qubit en ultiem privaat; een man-in-the-middle-aanval is inherent onmogelijk en het opent toepassingen voor het genereren van encryptiesleutels en identificatie. Maar er zijn meer toepassingen, volgens Wehner.

De verschillende stadia in de ontwikkeling van een quantumnetwerk zoals opgesteld door QuTech, met voorbeelden van toepassingen. Bron: QuTech, Science

"Anders dan wel gedacht wordt, maakt verstrengeling niet de overdracht van informatie sneller dan het licht mogelijk, maar je kunt wel gebruikmaken van maximale coördinatie op grote afstand. Dit opent de weg naar toepassingen als extreem accurate kloksynchronisatie of het met elkaar verbinden van telescopen op aarde."

Omgekeerd kunnen de nodes van een quantumnetwerk ook alleen op grote afstand functioneren als er al hele nauwkeurige synchronisatie wordt toegepast. Om dat met conventionele technieken mogelijk te maken is OPNT, Optical Positioning Navigation and Timing, aangehaakt. Dit is een spin-off van de VU Amsterdam. Dat bedrijf is gericht op diensten rond accurate tijdssynchronisatie, zonder op gps te willen vertrouwen. "Wij kunnen met onze technieken al tijdssynchronisatie met een accuraatheid van onder de picoseconden leveren. Je krijgt dit netwerk niet draaiend zonder die synchronisatie. Met name bij het vergroten van de afstand tussen de nodes in een quantumnetwerk, neemt het belang van accurate synchronisatie toe", vertelt Marco Gorter, mede-oprichter en COO van OPNT.

Volgens hem zijn de meeste op timing en lokalisatie gebaseerde diensten nog altijd gebaseerd op gps, terwijl die afhankelijkheid risico's voor verstoring met zich mee zou brengen. "Het belang van tijdssynchronisatie voor de telecommarkt, de financiële markten en energienetwerken is enorm, terwijl gps te jammen en te spoofen is met een software defined radio-kit. Een robuuster en accurater alternatief is welkom."

CERN's witte konijn

Die heeft het bedrijf gevonden door van White Rabbit van CERN gebruik te maken. Die techniek breidt het Precision Time Protocol uit en werkt via ethernet. Het is volgens Gorter dan ook eenvoudig te integreren in het beoogde quantumnetwerk, aangezien die verbindingen over bestaande glasvezelkabels zullen lopen. Omgekeerd is het voor OPNT interessant bij de ontwikkeling betrokken te zijn, omdat quantumnetwerken de potentie hebben nog accuratere synchronisatie binnen handbereik te brengen en een extra beveiligingslaag mogelijk te maken.

Een andere toepassing voor een quantumnetwerk is het verbinden van quantumcomputers die op verschillende plekken staan. Zo kan een groot quantumcomputingcluster met meer rekenkracht ontstaan. Zo ver is het nog lang niet. De weg naar een werkend netwerk ligt nog bezaaid met obstakels. Wehner beschrijft dat een quantuminternet weliswaar via glasvezelkabels kan werken, maar dat er speciale repeaters, switches en end-nodes in het netwerk nodig zijn. Die end-nodes kunnen eenvoudig zijn, van simpele systemen om qubits te meten, tot complex, waarbij ze bestaan uit hele quantumcomputers.

De ontwikkeling is aan de andere kant minder problematisch dan die van een quantumcomputer. Nodes met een enkele qubit zijn al voldoende voor veel applicaties en errorcorrectie van quantuminternetprotocollen kan via de klassieke weg verlopen. De eerste netwerken zullen nog trusted repeater networks zijn, met minstens twee endnodes die via repeaternodes verbonden zijn. Die tussenliggende nodes moeten betrouwbaar zijn, aangezien ze encryptiekeys uitwisselen. De volgende stap is een upgrade met measurement device–independent qkd, een protocol waarmee ook de inzet van nodes waarvan niet zeker is dat ze betrouwbaar zijn mogelijk wordt, met behoud van veilige sleuteluitwisseling.

Nederland maakt volgens Wehner een goede kans om als eerste een werkend quantumnetwerk te krijgen, ondanks dat China en de VS zich ook op het ontwikkelen van een quantuminternet hebben gestort. In Nederland is er volgens haar grote expertise op het gebied van quantumtechnologie, met teams met verschillende achtergronden.

De coronacrisis heeft de planning om die hardware in het laboratorium verder te ontwikkelen flink in de weg gezeten, zegt Wehner. Eigenlijk was het plan om al dit jaar een demonstratie te kunnen geven van verbonden quantumprocessornodes in Delft, Den Haag, Leiden en Amsterdam. Wanneer we de eerste werkende verbindingen tussen de vier steden te zien krijgen, durft ze niet te zeggen. "We hopen dat we volgend jaar verstrengeling kunnen laten zien. Ook willen we volgend jaar een gesimuleerd netwerk opzetten, zodat programmeurs er vast mee aan de slag kunnen. We hebben de keuze gemaakt om eerst het netwerk toegankelijk te maken voor gebruikers, voordat we straks meer steden met een quantumnetwerk gaan verbinden."

Reacties (23)

[JSDJ]

Tja, quantum cryptography. De belofte van 'onkraakbare' encryptie. Het verkopen van quantum cryptography wordt makkelijker gemaakt door die andere belofte: quantum computers.

Even op een rijtje:
Twee partijen willen met elkaar praten, maar ze willen dat niemand meeluisterd. Ze gebruiken hiervoor encryptie. In de encryptiestandaarden kan je een tweedeling maken tussen symmetrische encryptie (soms ook wel private genoemd) en a-symmetrische encryptie (soms ook wel public genoemd).

Symmetrische encryptie: om het bericht te versleutelen en ontsleutelen gebruik je de zelfde key. Beide partijen moeten deze key hebben, en niemand anders mag hem hebben. Wil je 'perfecte' security hebben, dan moet je key net zo lang zijn als je bericht (OTP): nogal onpraktisch.
Echter, omdat je afluisteraar ook maar een mens/bedrijf/government/hele planeet/heel zonnestelsel (doorghalen van n.v.t. is) is, kan je wat aannames maken. Het welbekende AES is berust op zo'n aanname (het is idioot moeilijk om een bepaalde berekening te doen waar AES op is gebaseerd). Het is al lang aangetoond dat quantum computers het 'net' zo moeilijk vinden deze berekening te doen. So far so good.

A-symmetrische encryptie. Wat nou als je niet al een key deelt? Dan maak je gebruik van een a-symetric key: Ik wil iets tegen jou zeggen, dus jij stuurt mij de versleutel-key. Die mag prima publiek zijn, kan dus gewoon op het internet gegooid worden, en ik gebruik hem vervolgens om mijn bericht te versleutelen en naar jou te sturen/op het internet te gooien. Alleen jij hebt de ontsleutel key (de private key), dus alleen jij kan het bericht lezen. Dit is allemaal mogelijk omdat het heel erg lastig is om met alleen de public key de private key te berekenen. Bekendste voorbeeld: RSA; praktisch 'al' het internetverkeer (bijv. jou en je bank) gebruikt dit. Voor RSA is de private key twee priemgetallen, en de public key het product van die twee. Het is knap lastig* om die twee priemgetallen uit te vogelen vanuit alleen hun product ('factorizeren'), maar: een quantum computer kan die berekening wel. Ook andere, al bekende, public key standaarden hebben hier last van, maar eigenlijk alleen maar omdat ze 'under the hood' op eenzelfde moeilijke rekensom steunen, nou net dat trucje dat de quantum computer kan.

Dat geeft een probleem, want we willen 'straks als ie er is' nog graag kunnen bankieren, inloggen op tweakers enz.

Er zijn drie oplossingen, voor een nieuwe asymmetrische standaard:
Optie 1 - Ga op zoek naar een public key encryption standaard waar je geen aannames voor hoeft te doen. Niemand kan er eentje vinden, en het lijkt er op dat het niet kan.

Optie 2 - Ga op zoek naar een public key encryption standaard waar je alleen maar aanames hoeft te doen zodat quantum computers ook buiten de boot vallen. Dit is heel goed mogelijk, er zijn ook al kandidaten; zoek maar eens naar post-quantum cryptography. Echter zijn er wel wat haken en ogen hier en daar, bijv. dat ze niet zo efficient zijn, of langzaam, of noem maar op.

Optie 3 - Quantum gooit roet in het eten, maar quantum lost het ook op. Als je een quantum netwerk (een netwerk waarover je qubits kan versturen) hebt, dan kan je dit gebruiken om key te maken via quantum key distribution. In deze standaarden worden, op papier, geen enkele aannames gedaan

QKD lijkt prachtig, en dat is het ook, maar voor niets gaat de zon op: om QKD te implementeren moet je wel degelijk aannames doen, of rare capriolen uithalen om dit lek te dichten of dat euvel te verhelpen. Het komt er op neer dat je eigenlijk alleen maar al bestaande (symmetrische) key kan uitbreiden, en niet zomaar symmetrische key kan creeren 'out of thin air'. Helaas.

Mijn geld gaat toch vooral naar optie 2 - er bestaat al een gewone internet infrastructuur, en er zit best wel wat potentie in de post-quantum crypto standaarden. En je laptop kan die encryptie nog prima uitvoeren; embedded systems e.d. wordt al ietsjes lastiger.

Optie 3 is inherend veiliger, maar ook moeilijker te implementeren, helemaal voor Jan en alle man. Misschien meer geschikt voor twee bevriende overheden oid, maar die kunnen dan ook wel weer eens per jaar iemand met een hard schijf vol OTP key van de een naar de andere sturen**. Ben je ook van het gedoe af***. Daarmee valt QKD dus een beetje tussen kant en wal.

Maar ja, wie zal het zeggen - oorspronkelijk werd de computer aangeprezen als een ding waarmee er vier en slechts vier dingen mee gedaan zouden kunnen worden - dat heeft wel wat anders uitgepakt. Bill Gates zei in de jaren negentig dat het internet 'just a hype' is - dat heeft ook wel wat anders uitgepakt. Alleen de tijd zal het leren hoe het met QKD verder gaat.

* Athans, dat denken we
** Had ik al gezegd dat een OTP key maar 1x bruikbaar is?
*** Leuk weetje: dit is praktisch wat er gebeurd met GPS sattelieten - die hebben een lijst OTP key aan boord, en dat wordt stukje bij stukje verbruikt - totdat het op is, en de sattelieten niet meer aan te sturen zijn.

[Reactie gewijzigd door JSDJ op 23 juli 2024 09:40]

[Jim80]

De sterkte van de encryptie is zelden het probleem en daar zal quantum computing niks aan kunnen veranderen.

Het zijn bugs en vulnarabilities waar we ons vóór en na het quantum-tijdperk zorgen om moeten maken.

[kipppertje]

Jazeker wel. Encryptie is nooit onkraakbaar, maar als de zon eerder stopt dan dat je klaar bent met kraken, is het in praktische zin wel onkraakbaar. Er zijn een aantal encryptiestandaarden die door hun mechanisme veilig zijn voor normale computer, maar kraakbaar zijn met een quantumcomputer. Niet ieder algoritme heeft daar even veel last van, maar het is wel degelijk een issue.
Zie https://en.wikipedia.org/wiki/Post-quantum_cryptography voor meer info als je het interessant vindt.

[JSDJ]

Encryptie kan best onkraakbaar zijn, namelijk OTP. Dat het onpraktisch is om te implementeren, is wat anders.

Overigens is iets als AES ook prima bestand tegen een quantum computer. Het probleem ligt vooral bij asymmetrische encryptie, maar daar zijn ook al kandidaten voor (zoals je zelf al linkt naar post-quantum crypto).

[ataryan]

@kipppertje De huidige standaarden van encryptie tijden zijn gebaseerd op de tijd die het zou nemen in dit universum met een klassieke computer Dat zijn aannames die niet opgaan voor een quantum computer met een breedte van meer dan ~350 qbits in entanglement. De informatie horizon die dat systeem heeft past niet in het huidige universum ook al zou die informatie met een planck dichtheid opgeslagen worden. ( Quote van oa. Leonard Susskind )

[ataryan]

Er lijkt wel een emotionele reden te zijn dat dit netwerk per se in de randstad moet draaien, but that's just me ? Technisch gezien zie ik 'm ieg niet. Verder moet ik ff kwijt dat de Chinezen een satelliet in omloop van de aarde hebben gebracht die met quantum encryptie communiceert met het basis station op de grond. En die afstand is groter dan met de bus van AMS-LEI. Just sayin'.

Aan de andere kant vind ik dat de voortgang van Quantum Tech op dit moment een beetje zoals een hoge snelheids trein gaat die niet stopt in heel veel stations maar er wel voorbij raast. Wat ik daarmee bedoel is dat het momentum van voortgang en innovatie de laatste tijd erg aan het versnellen is maar dat weinig mensen dit door hebben vanuit hun positie en dat weinig mensen dus ook mee kunnen gaan in deze.

Het is niet zoals in de voege dagen van PCs voorheen dat bijvoorbeeld een HCC netwerk de groepen van hobbisten en technici met elkaar overlappen en in een open forum van elkaar kunnen leren. Of op fora uitgebreid in-depth gesproken en informatie uitgewisseld kan worden. Veel van de techniek die nu ontwikkeld is word achter heel erg gesloten deuren met nationale geheimhouding en/of een hele rij NDAs en patenten gedaan....

In de open source wereld word er uiteraard wel gedeeld en ontwikkelt, maar het valt mij op dat je vaak dezelfde partijen, methodes en personen tegen komt, de zg. happy-few, terwijl de impact van deze technologie niet te overschatten is, terwijl de discussie met de rest van de wereld nog gevoerd moet worden, en dat is dus ondertussen naderhand.... Kan een beetje een dingetje worden mbt adoptie.

Aan de andere kant om Quantum Compute uit te leggen aan niet theoretisch onderlegde technische mensen is een behoorlijke uitdaging omdat veel van de aannames van de werking van een klassieke von neumann machine niet opgaan in een quantum doos en die ervaring soms zelfs erg in de weg kan zitten tbv adoptie van de nieuwe termen en methodieken... Ik wens de mensen van dit project veel succes, en moedig het delen van de informatie dmv bij.v een SDK alleen maar aan.

[JSDJ]

Naja, 'emotionele reden', ik zou eerder de reden aanwijzen dat QuTech in Delft zit, Den Haag daar vlak bij zit, QuSoft in Amsterdam zit, en Leiden het 'rondje' enigzins mooi afmaakt (daarbij zit er ook een universiteit in Leiden die veel samenwerkt met Delft op dit gebied). Vergeet niet dat QuTech wereldwijd een van de voortrekkers van de quantum computing wereld is, en in het 'quantum netwerk' verhaal is QuTech/Stephanie Wehner zelfs de praktische 'lijsttrekker'. Dus dat Delft wordt opgenomen in dit netwerk lijkt me niet meer dan logisch.

Dat netwerk in China wat je aanhaalt is waanzinnig, maar geen 'volledig' quantum netwerk. Die is alleen geschikt voor QKD doeleinden, terwijl een volledig quantum netwerk een aantal extra dingen ook moet kunnen.

Wat die dingen precies zijn wordt wel heel technisch, maar het komt er op neer dat je voor QKD je qubits in slechts 4 (of soms 6) verschillende 'states' hoeft te kunnen maken en rond te sturen. Voor een volledig quantum netwerk gaat dat helaas niet op, en deze extra vereisten voegen een hoop complexiteit toe.

Daarnaast is dat systeem in China (zoals elk ander QKD systeem overigens) niet in staat om willekeurige metingen te doen op de ontvangen qubits, of de qubits te 'behouden' bij ontvangst tot nader order. Allerlei dingen die je liever wel hebt in een 'volledig' quantum netwerk.

Quantum computing is op het moment heel populair. Twee jaar geleden was het nog populairder - en mijn verwachting is dat we eerst een 'quantum winter' in gaan alvorens de echte doorbraken gaan komen. Dit is precies zo gegaan met allerlei AI en ML technieken in de jaren 90 - het enthousiasme was er, maar de technieken voor echt brede toepassing nog niet. Dat heeft even gekost, en dat zal met quantum computing/networks waarschijnlijk net zo zijn.

Een van de dingen waarvan ik vind dat ze juist heel goed gaan momenteel in de QC wereld, is dat veel, heel veel, van de software die geschreven wordt allemaal open source is. NetSQuid (de simulator die aangehaald wordt in bovenstaand artikel) is open-source. Qiskit, de volledige quantum-computing software stack van IBM, inclusief online access tot hun mini-QC's is open-source. Het zal er wel aan liggen dat er voorlopig nog geen geld wordt verdiend met QC software?

[Reactie gewijzigd door JSDJ op 23 juli 2024 09:40]

[NaliXL]

Ik kan niet zo goed uit het artikel opmaken wat er nou het verschil is tussen een gewoon glasvezel netwerk en een quantum netwerk, behalve dan dat de communicatie beter versleuteld is en kloksynchronisatie eventueel iets betrouwbaar zou kunnen zijn.

Daarom begrijp ik ook niet zo goed waarom je nou programmeurs zou willen aantrekken specifiek voor een quantum netwerk? Is het mijn gebrek aan fantasie misschien, maar wat kun je nou met een quantum netwerk wat je met alleen glasvezel niet kan?

[Ghxst]

Geen expert op dit gebied maar zover ik weet is een quantum netwerk een netwerk waarin qubits verzonden kunnen worden, dit kan ook gewoon over glasvezel maar deze data is anders dan de "gewone" bits die we nu over glasvezel sturen en hebben dan ook andere systemen nodig om deze data te verzenden en te ontvangen.

Als je dus bijvoorbeeld data wilt uitwisselen (zoals wachtwoorden / keys e.d.) die gemaakt zijn door een quantum machine dan bestaan die uit qubits en die kun je niet simpelweg vervangen door / vertalen naar de bits die we nu gebruiken zonder de quantum staat te verliezen.

[lulkoekje]

Super interessant en ook een redelijk artikel qua premiumwaardigheid.

Wat ik mij o.a. afvraag, als elke node 1 qubit representeert. Resulteert dat dan toch tot een gedistribueerde quantum computer?


Maar eerste volledige quantumnetwerk?
Telt deze niet mee?
China's quantum satellite could make data breaches a thing of the past

En verder wou ik dit even achterlaten:

There’s a new way to break quantum cryptography

Vulnerability in commercial quantum cryptography

Some quantum cryptography systems vulnerable to hacking, study shows

[MelmHQ]

dit gaat wel iets worden...

[JDx]

Dit gaat mij m'n mondkapje te boven.

[Waterfietser]

Off-topic; ik weet niet hoeveel lezers er op tweakers zijn die dit nieuws kunnen en willen lezen? Zal zeker aan mij liggen maar dit is erg hoog niveau.

[kh65]

Voor mij is dit een artikel wat nog een beetje in de buurt komt van waar ik wellicht voor zou willen betalen. Het is niet voor niks één van de Premium artikelen waar ze de laatste tijd bij Tweakers mee aan het experimenteren zijn vind ik.
Het is nog steeds maar kort en ik vind het nog niet eens echt diepgaand. En ik ben helemaal geen expert of zo op quantumcomputing gebied (volg techniek algemeen en redelijk breed). Ik kan het redelijk volgen en vind het interessant. Maar het is en blijft gewoon nog te veel een stukje IT nieuws, waar ook weer belangen achter zitten van mensen/bedrijven/universiteiten..
Eens dus ook met de reactie van CyberMania hieronder...

[Jim80]

Ik zou er in ieder geval niet voor betalen. Sterker nog, ik vrees dat dit premium experiment het begin aan het worden is voor een betaalmuur, en dan haak ik af.

Vervolgens zie ik een paginagrote advertentie van Tweakers in Humo (een Belgisch weekblad) en dan denk ik.... dat moet geld gekost hebben!

[Yero]

[..] Vervolgens zie ik een paginagrote advertentie van Tweakers in Humo (een Belgisch weekblad) en dan denk ik.... dat moet geld gekost hebben!

Ik zou niet zo snel dit soort conclusies trekken. Humo is ook van DPG media, dus dat heeft geen geld gekost (het is een uitwisseling die je binnen heel veel titels ziet).

[casberrypi]

Nog afgezien wat @Jim80 hier zegt:

Het effect van reclame-uitingen is heel goed meetbaar, en daarom vaak gewoon een investering die zich goed terugbetaald. Dat het Tweakers geld kost betekent niet direct dat het voor jou duurder wordt.

[The_Wounded]

Dit soort diepgaande topics is wat mij jaren geleden naar tweakers.net trok, toen had je heel meer diepgaande artikelen over technieken

[CyberMania]

Het klinkt echt als een reclamepraatje en misschien beter om een in-depthartikel eerst te beginnen met een korte uitleg wat quantumcompting eigenlijk is en waarom het de toekomst is Bij een premiumartikel (wat dit is) moet je de tijd en de ruimte hebben toch om eea goed uit leggen toch eerst.

[Reactie gewijzigd door CyberMania op 23 juli 2024 09:40]

[extremezz]

Ja wat is een quantumcomputing dinges😬

[Anoniem: 718943]

Onderhand eens helemaal overstappen op ipv6 lukt steeds maar niet, maar even een quantumnetwerk inzetten zou wel zomaar gaan? (Ik weet dat het appels en peren zijn, maar als een simpele appel al niet lukt, waarom zou een complexe peer wel lukken?)

[Ghxst]

Een quantum netwerk een vereiste is voor het communiceren in een quantum staat tussen quantum devices, en ook zijn er geen miljarden routers en dergelijke die onbruikbaar worden gemaakt door het opzetten van een netwerk voor deze speciale computers.

Als we het hebben over waarom de overstap naar IPv6 zo lang duurt dan is de rede niet de bestaande infrastructuur, er zijn vele andere reden voor.