‘Zuid-Holland wordt Silicon Valley voor Kwantum’

Als dit netwerk operationeel is, wordt er gekeken naar verdere opschaling naar andere steden in de Randstad. Nederlandse wetenschappers en bedrijven werken hard aan de ontwikkeling van kwantumtechnologie, in de vorm van kwantumnetwerken en -computers. Maar wat hebben we eraan? En hoe gaat het ons leven veranderen?

Nederland streeft ernaar het Silicon Valley van de kwantumtechnologie te worden, zo valt te lezen in de Nationale Agenda voor Quantumtechnologie. En die ambitie slaat concreet in Zuid-Holland neer. Onder andere QuTech, een samenwerkingsverband tussen de Technische Universiteit Delft en onderzoekscentrum TNO, doet onderzoek naar de mogelijkheden van kwantumtechnologie. Daarnaast wordt er ook gekeken naar praktische toepassingen waar onder andere bedrijven als KPN en Cisco aan meewerken.

"Op wetenschappelijk vlak zijn we wereldtop op kwantum," zegt Jacqueline Schardijn, business developer Quantum bij InnovationQuarter. "Maar om met die sterke kennispositie ook geld te kunnen verdienen als Nederland, heb je meer nodig: een ecosysteem. Mensen moeten bijvoorbeeld met kwantum leren werken. En je hebt bedrijfsruimte rondom Delft nodig; die apparaten op de TU Delft zijn zo vreselijk duur dat bedrijven zich rondom de TU zullen willen vestigen. Daar werken we nu aan, de juiste randvoorwaarden om die kennis heen bouwen."

Economische impact

Die toepassingen lijken eindeloos. "De kwantumcomputer maakt op een hele andere manier berekeningen dan de computers die we nu kennen", zegt Ingrid Romijn, programmamanager bij QuTech. "Een kwantumcomputer kan bijvoorbeeld verschillende toestanden van grote moleculen heel snel doorrekenen. Zo kunnen onderzoekers de interactie tussen stoffen en cellen veel beter simuleren. Dit zorgt ervoor dat medicijnen specifiek voor een bepaald persoon met een bepaalde ziekte ontwikkeld kunnen worden. Daarnaast kan kwantumtechnologie bijdragen aan de ontwikkeling van batterijen en zonnecellen. Het kan ook logistieke problemen veel sneller inzichtelijk maken en oplossen."

QuTech

Hoe groot die impact precies is, is nog niet duidelijk. Nog niet alle mogelijkheden van een kwantumcomputer zijn in beeld bij onderzoekers en bedrijven. René Pluis, cyber security lead digitale versnelling Nederland programma bij Cisco Systems: "Dat is vaker het geval wanneer fundamenteel onderzoek in de praktijk wordt gebracht." Hij vergelijkt het met de technologische revolutie in jaren ’50. "In die tijd werd de transistorradio uitgevonden, maar we wisten toen nog niet dat we op basis van diezelfde technologie ook een MRI-scanner konden maken. Datzelfde geldt voor de laser. Dat was eerst een grote machine. Nu zit het verborgen in kleine apparaten als een CD-speler. We weten nu nog niet wat we in de toekomst allemaal kunnen met de quantumtechnologie, daarvoor moeten we het gaan gebruiken en ontdekken."

Twee belangrijke principes

Kwantumtechnologie werkt op basis van twee principes: verstrengeling en superpositie. Deze twee eigenschappen maakt de technologie anders dan alle anderen. Binnen de kwantumtechnologie wordt niet gekeken naar bits, maar naar qubits. De huidige bits zijn altijd een 0 of een 1. Een qubit kan ook een 0 en een 1 tegelijk zijn. De werking van qubits berust op principes van de kwantummechanica, een van de meest precieze theorieën van de wereld. Dankzij grote doorbraken in het afgelopen decennium is nu duidelijk dat de principes toegepast kunnen gaan worden in baanbrekende nieuwe technologieën. "Door de kwantumcomputer berekeningen met de qubits uit te laten voeren, kunnen in principe meerdere berekeningen tegelijk uitgevoerd worden. Omdat kwantumcomputers meerdere bewerkingen tegelijk kunnen uitvoeren, kunnen ze in potentie problemen oplossen die voor klassieke computers praktisch onoplosbaar zijn," zegt Pluis.

De tweede eigenschap van qubits die de kwantumtechnologie mogelijk maakt is verstrengeling. Dit betekent dat twee kwantumsystemen, bijvoorbeeld elektronen of fotonen, met elkaar verbonden zijn, zonder fysiek aan elkaar gekoppeld te zijn. Als het ene kwantumsysteem verandert, heeft de andere dat ook door, zelfs als ze duizenden kilometers van elkaar verwijderd zijn. "Ook dit klinkt bijna magisch, maar de werking is bewezen," gaat Pluis verder. "Door die verstrengeling bestaat er een correlatie tussen de toestanden van de twee systemen op afstand. Het is als het ware één systeem."

Romijn vult aan. "Zo kun je zaken veel sneller synchroniseren als twee kwantumsystemen op afstand met elkaar verstrengeld zijn," vertelt ze. Dat zou bijvoorbeeld kunnen zorgen voor nauwkeurigere plaatsbepalingen en kan toegepast worden in de sterrenkunde. Pluis: "Hoe nauwkeuriger atoomklokken op elkaar zijn afgesteld, hoe beter satellieten en telescopen afgesteld kunnen worden."

Betere beveiliging

Een verstrengelde verbinding zorgt bovendien voor betere beveiliging. "Je hebt dan een kwantumlink naar iemand anders. Als iemand een verstrengelde connectie probeert te openen of af te luisteren, dan vervalt de verstrengeling en is dus meteen duidelijk dat iemand de gegevens probeerde te lezen," legt Romijn uit. Volgens haar zal het beveiligen van vertrouwelijke informatie, bijvoorbeeld van de overheid of het leger, dan ook een van de eerste toepassingen van kwantumcomputers en -netwerken zijn. "We werken bijvoorbeeld samen met een Nederlandse bank om te kijken naar de mogelijkheden van beveiliging," vertelt ze.

Naast nieuwe vormen van beveiliging brengt de kwantumcomputer ook beveiligingsrisico’s met zich mee. De huidige beveiliging door encryptie, een cijferreeks die gegeneerd wordt door grote priemgetallen met elkaar te vermenigvuldigen, is namelijk niet meer zo veilig met een quantumcomputer. "Voor een normale computer is het heel lastig om zo’n cijferreeks terug te brengen tot de twee priemgetallen. Daardoor zijn gegevens beveiligd. Maar omdat een kwantumcomputer dit soort berekeningen veel sneller uitvoert, kan deze de code wel kraken," aldusPluis.

"De kwantumcomputer laat nog een aantal jaren op zich wachten. Maar als iemand bestanden nu opslaat om zo over een tijd te ontsleutelen, kan dat een probleem opleveren. Niet alle documenten zijn over een aantal jaar nog relevant, maar bijvoorbeeld documenten van de overheid zijn dat vaak wel", gaat hij verder. Daarom moet er voor belangrijke – geheime – documenten een nieuw soort beveiliging komen. "Er wordt nu gewerkt aan een encryptie op basis van kwantum-netwerktechnologie waarbij je niks meer hebt aan de grote rekenkracht van kwantumcomputers," vertelt Pluis.

Goed of kwaad

Beveiliging van gegevens is een van de vele toepassingen van kwantumtechnologie. De nieuwe technologie heeft hierdoor twee gezichten. Aan de ene kant kan het de huidige beveiliging kraken, met alle gevolgen van dien. Aan de andere kant kan het zorgen voor nieuwe en betere vormen van beveiliging. Romijn: "Wat als de technologie in handen van criminelen valt? Daar is onder andere de overheid bang voor." Volgens de programmamanager bij QuTech is dat een terugkerende vraag bij technologie ontwikkelingen. "Toen de laser werd uitgevonden waren mensen ook bang dat criminelen er wapens mee zouden maken. Nu blijkt dat er vooral goede dingen mee gebeuren," gaat ze verder.

"De technologie is niet goed of kwaad. We moeten zorgen dat ze op een goede manier wordt ingezet."

Voor die ethische kant is veel aandacht in de Nationale Agenda Quantum Technologie. "We willen focussen op maatschappelijke impact en de maatschappij ook daadwerkelijk betrekken bij de ontwikkeling. Dan gaat het niet alleen om techneuten, maar bijvoorbeeld ook filosofen en juristen." Romijn denkt dat Europa zich op die manier kan onderscheiden van China en Amerika. "Daar waar voor China en Amerika vooral de technologische en economische aspecten een hoofdrol spelen, brengt Europa ook een derde element in de discussie: impact en ethiek. Dat element is vaak essentieel in de acceptatie van een nieuwe technologie en de regulering daar omheen."

Samenwerken

Naast de concurrentie om als eerste een volledig functionele kwantumcomputer te realiseren, is het volgens Romijn ook belangrijk dat landen en bedrijven samenwerken. "Onderzoekers hebben bijvoorbeeld allemaal een eigen expertise, maar dat geldt ook voor bedrijven en zelfs landen. Door samen te werken komen we dan tot het meest optimale resultaat," zegt ze. Om die reden hebben TNO, TU Delft, QuTech en de gemeente Delft een paar maanden geleden samen het ecosysteem Quantum Delft opgezet. "Labs van grote bedrijven en startups komen hier samen. Iedereen werkt aan zijn eigen technologie of onderdeel van de computer of het netwerk. Omdat iedereen op dezelfde campus werkt, komen mensen elkaar makkelijker tegen en ontstaan er weer nieuwe initiatieven. Zo gaat de ontwikkeling nog sneller," zegt Romijn.

Schardijn voegt toe: "Er is al een mooi ecosysteem opgezet rondom Quantum in Delft waar startups samen met wetenschappers werken aan kwantumvraagstukken en aanverwante technologieën. Voor het bedrijfsleven is het handig om te weten bij wie ze kunnen aankloppen als ze zich willen oriënteren op kwantum. Bedrijven willen bijvoorbeeld weten hoe je simulaties kan draaien op kwantumplatformen zoals Inspire. Daar werken De Cronos Groep, QuTech en InnovationQuarter aan: awareness kweken aan de businesskant."

Pluis: "Het is niet meer de vraag óf quantumtechnologie de wereld gaat veranderen, het is de vraag wanneer dat gaat gebeuren. Wat we nu weten over de mogelijkheden van de technologie is waarschijnlijk nog maar het topje van de ijsberg. De tijd moet uitwijzen wat de impact van deze technologie gaat zijn."