Quantumfysica is voor gewone stervelingen een ongrijpbaar fenomeen. Toch weten knappe koppen het te vertalen naar quantumtechnologie die de belofte van concrete ‘gamechanging’ toepassingen in zich heeft. Het Delftse onderzoeksinstituut QuTech ontwikkelt er demonstrators voor. Zo heeft de toekomstige quantumcomputer een ongelooflijke rekencapaciteit en is die bijzonder geschikt voor ‘moderne’ problemen, zoals het herkennen van patronen in big data en het optimaliseren van complexe systemen. Het quantuminternet belooft datauitwisseling die absoluut niet te hacken is. QuTech probeert nu de code voor industriële toepassing te kraken.
- ‘Zowel de quantumcomputer als het quantuminternet zal een gamechanger zijn.’
- ‘Een quantumcomputer met zo’n vijftig zeer betrouwbare qubits zou de huidige supercomputers al kunnen overklassen.’
- ‘Een demonstrator kan bedrijven over de streep trekken.’
- Opbloeiend quantumecosysteem moet op een Q-Campus ook fysiek vorm krijgen.
Foto © Sam Rentmeester-
TU en TNO werken in QuTech aan demonstrators voor de industrie
Nanotechnologie vormde in Delft de basis voor het onderzoek aan quantumtechnologie. Want een van de grootste uitdagingen is het maken van stabiele quantumbits – er zijn een stuk of tien verschillende qubit-principes bekend – en daar komt heel veel materiaalkunde en dus nanotechnologie bij kijken. In 2014 had het vakgebied zo’n vlucht genomen dat de TU Delft samen met TNO QuTech oprichtte. In het multidisciplinaire onderzoeksinstituut gingen de nanowetenschappers samenwerken met elektronici, wiskundigen en informatici van de TU en met diverse afdelingen van TNO. Naast de toen pas opgerichte afdeling Quantumtechnologie zijn dat onder meer Nano-instrumentatie, Radartechnologie, Optica, Optomechatronica en Cybersecurity en -robuustheid. Inmiddels werken er in QuTech zo’n 200 mensen, onder wie dertig van TNO, dat ook de expertise van nog eens 100 medewerkers kan inbrengen. Tevens is de industrie aangehaakt. Zo is QuTech allianties aangegaan met de Amerikaanse giganten Intel en Microsoft. Deze maand opent Microsoft zijn eigen lab in Delft – in hetzelfde faculteitsgebouw voor Technische Natuurkunde waar QuTech huist. Het Finse Bluefors, dat koelsystemen ontwikkelt en bouwt, is er al eerder ingetrokken. Qubits moeten namelijk voor de noodzakelijke stabiliteit tot extreem lage temperaturen worden gekoeld. Vandaar dat elk zichzelf respecterend quantumonderzoeksinstituut beschikt over tientallen geavanceerde ‘koelkasten’ voor de experimenten.
Missiegedreven
‘In de quantumtechnologie is QuTech wereldwijd het enige instituut dat al zo’n omvang heeft, snelgroeiend is en een missiegedreven aanpak kent waarin het met grote industriële samenwerkingsverbanden de hele keten van fundamenteel onderzoek naar toegepast onderzoek naar toepassingen bestrijkt.’ Dat zegt Kees Eijkel, die per 1 december is aangetreden als business development director en als relatieve nieuwkomer/buitenstaander recht van spreken heeft. Eijkel was meer dan dertig jaar actief op de Universiteit Twente en het aanpalende Kennispark Twente in nanotechnologie, commercialisering van onderzoek en start-up-stimulering. Hij lijkt dus de aangewezen persoon om de missie van QuTech – schaalbare prototypes ontwikkelen voor quantumcomputer en quantuminternet – commerciële handen en voeten te geven. Inhoudelijk is deze ambitie vastgelegd in drie technisch-wetenschappelijke roadmaps: Fault-Tolerant Quantum Computing (het voorkomen en automatisch corrigeren van fouten in qubits), Quantum Internet and Networked Computing (quantuminternet realiseren en combineren met quantumcomputers voor dataveilig rekenen) en Topological Quantum Computing (ontwikkeling van een speciaal type (topologisch) qubit, dat door zijn vorm beter tegen fouten is beschermd). Eijkel: ‘Zowel de quantumcomputer als het quantuminternet zal een gamechanger zijn.’
Vooraanstaand
De ‘partner in crime’ van Eijkel is Richard Versluis, als principal scientist voor quantumtechnologie vanuit TNO aan QuTech verbonden. ‘Wij willen dit veelbelovende technologiedomein snappen, aanhaken bij de wetenschap en die toepasbaar maken voor de bedrijven die bij ons komen. Quantumtechnologie 1.0 is er al, denk aan lasers, nu kijken we naar quantumaspecten zoals verstrengeling en willen we snappen hoe we die toepasbaar kunnen maken. Verder doen we zelf al toegepast onderzoek, onder meer op het gebied van sensing (quantumprincipes lenen zich voor geavanceerde meettechnieken, red.).’ Versluis is bij QuTech als systems engineer betrokken bij het geschikt maken van quantumtechnologie voor de markt.
Bij het interview met Link Magazine schuift ook Stephanie Wehner aan. Zij is hoogleraar aan de TU Delft en leider van de QuTech-roadmap Quantum Internet and Networked Computing. ‘We hebben hier het meest geavanceerde hardwareplatform en de beste theoretische tools, maar het grootste voordeel is het excellente team. QuTech is wereldwijd de enige researchgroup die echt alle benodigde expertise combineert.’ Ter onderstreping van QuTech’s vooraanstaande positie: Wehner is coördinator van de Quantum Internet Alliance. QIA, een consortium van toonaangevende Europese quantumonderzoeksgroepen en hightech bedrijven onder leiding dus van QuTech, ontwikkelt een blauwdruk voor een toekomstig quantuminternet. De Europese Commissie stak er onlangs tien miljoen euro in, uit het vorig jaar gelanceerde Europese Quantum Flagship-programma ter grootte van één miljard.
Demonstrators
Via demonstrators wil QuTech de link met de industrie leggen. ‘Er wordt wereldwijd veel quantumtechnologie op papier bedreven’, zegt Versluis. ‘Maar je moet het juist doen door het te laten zien; een demonstrator kan bedrijven over de streep trekken. En we betrekken bedrijven erbij om het haalbaar te maken.’ Dat is nodig, want er liggen nog wel wat uitdagingen, zoals in de koeling en de elektronica, die bijvoorbeeld heel korte synchrone pulsen naar de qubits moet kunnen sturen.’ Eijkel: ‘Die apparatuur voor de aansturing willen we nog slimmer en goedkoper maken en dichter bij de qubits zelf onderbrengen.’ Versluis: ‘Dat laatste is van niet te onderschatten belang voor de schaalbaarheid. Uiteindelijk zullen we naar hybride chips gaan: een chip met qubits waarop een klassieke chip is geïntegreerd.’
Quantum Inspire is de demonstrator voor een quantumcomputer. Een heel eenvoudige versie met twee qubits wordt nu gebouwd en opschaling naar een 17- en later een 49-qubit-systeem is voorzien. Eijkel: ‘Een quantumcomputer met zo’n vijftig zeer betrouwbare qubits zou de huidige supercomputers al kunnen overklassen. Zeer betrouwbare qubits, dat is nog wel een puzzel; we moeten onze systemen fout-tolerant maken.’ De demonstrator zal een verbinding krijgen met de buitenwereld, zodat geïnteresseerden er hun eigen quantumalgoritmes op kunnen loslaten. Om daarvoor alvast te oefenen, is – o ironie – een simulator gebouwd op een klassieke computer. De grootste supercomputer van Nederland, Cartesius, kan met moeite een quantumcomputer met 37 qubits simuleren.
Wereldrecord
De tweede demonstrator is Quantum Internet, waarvoor Stephanie Wehner en Ronald Hanson (wetenschappelijk directeur van QuTech) met hun mensen de bouwblokken ontwikkelen. Dat zijn compacte systemen met meerdere qubits, die met elkaar kunnen worden verbonden zoals klassieke computers, namelijk met glasvezels. Het eerste streven is verstrengeling in een netwerk van quantumprocessoren aan te tonen. Dit zal in de toekomst veilige quantumcommunicatie over lange afstanden mogelijk maken. QuTech heeft het wereldrecord al in de handen, met een afstand van 1,3 km, gevestigd op de Delftse campus. Deze zomer moet er een verbinding naar Den Haag komen, via een fiber die (met een omweg) 25 km lang is. De volgende stap is doortrekken naar Leiden en Amsterdam, zodat er iets ontstaat dat al op een netwerk lijkt. ‘Wij willen naar steeds grotere afstanden gaan en steeds meer mensen toegang geven. Eind dit jaar organiseren we een hackathon, waarin mensen ideeën kunnen uitproberen; rond eind 2020 gaat onze demonstrator helemaal voor de buitenwereld open. Dan kunnen we naar ingewikkeldere systemen en toepassingen kijken.’
Toepassingen
De demonstrators staan dus in de steigers en zullen de komende jaren opschalen. Eijkel: ‘Voor quantuminternet zullen in vijf tot tien jaar serieuze toepassingen komen, voor quantumcomputers duurt dat nog wat langer.’ De hamvraag is nu wat je er in de praktijk eigenlijk mee kunt. Versluis: ‘Als de quantumcomputer en het quantuminternet op de markt komen, zal dat een onvoorstelbare impact op de samenleving hebben.’ Uiteraard hebben Eijkel en Versluis al wel ideeën. Ze denken dan voor de quantumcomputer vooral aan simulaties van complexe systemen (zoals van de atmosfeer voor de weersvoorspelling), patroonherkenning in big data (denk aan machine learning voor predictive maintenance) en optimalisatieproblemen (zoals in de logistiek). ‘Het punt is dat je op een quantumcomputer met heel andere algoritmes werkt dan op een klassieke computer en dat we dus nog moeten uitvinden welke problemen zich er goed voor lenen.’
‘ASML zou quantumcomputing kunnen gebruiken voor optimalisering van het complexe lithografieproces’
Voor Link-lezers is de positie van ASML natuurlijk interessant, beaamt Versluis. ‘Zij zouden quantumcomputing kunnen gebruiken voor optimalisering van het complexe lithografieproces in hun machines. Bij ons zijn ze al geweest om te vragen hoe ze het ontwerp van hun machines kunnen aanpassen om klaar te zijn voor toepassing in de productie van quantumchips. Tot slot hebben zij heel veel toeleveranciers om zich heen verzameld en weten ze wat het is om met zo’n netwerk complexe systemen te bouwen.’ Die ervaring kan van pas komen bij het bouwen van industriële quantumsystemen, wil Versluis maar zeggen.
De grote belofte van het quantuminternet is veilige communicatie. Denk aan veilige transacties met de bank of veilig stemmen: dankzij verstrengeling is een ‘quantumstem’ absoluut niet af te luisteren. Stephanie Wehner illustreert tot slot de mogelijkheden van een combinatie van de beide grote quantumtoepassingen. ‘Stel je hebt lokaal een simpele quantumcomputer en die verbind je via het quantuminternet met een krachtige quantumcomputer elders. Dan kun je secure onderzoek doen, bijvoorbeeld grootschalige simulaties uitvoeren voor het ontwikkelen van een materiaal dat je nog geheim wilt houden voor de buitenwereld. Eind 2021 willen we met QIA een systeemtest voor een dergelijke toepassing doen.’
Q-Campus
Zo blijft de technologie zich ontwikkelen, melden zich steeds meer geïnteresseerde bedrijven en komt de commercialisatie voorzichtig op gang. Naast de genoemde partners Intel, Microsoft en Bluefors zijn er nauwe contacten met buitenlandse elektronicabedrijven als Zurich Instruments en Keysight. Zij moeten de speciale elektronica voor de besturing van quantumcomputers naar industriële schaal brengen; nu ontwikkelt TNO nog een deel van die elektronica. Tegelijk dienen zich de eerste Delftse spin-offs aan, zoals QBlox, dat ook elektronica ontwikkelt, en Delft Circuits, dat de bekabeling van de quantumchips in de ‘koelkast’ verzorgt. Die commercialisatie- en start-up-kansen moet Eijkel verzilveren. ‘Daarvoor gaan we intensiever samenwerken met ontwikkelingsmaatschappij InnovationQuarter en incubator Yes!Delft.’
Tegelijk komt er behoefte aan nieuwe huisvesting. QuTech groeit langzaam uit z’n jasje, allerlei partners willen dicht bij het vuur zitten, er zijn nieuwe shared facilities nodig en de vraag naar (ruimte voor) kennisdeling groeit. Kortom, er is in Delft een compleet quantumecosysteem aan het opbloeien en dat moet op een te ontwikkelen Q-Campus ook fysiek vorm krijgen. Dan is de verstrengeling compleet.
Quantum voor dummies
In onze alledaagse wereld is iets waar of niet waar. Een bit in een halfgeleiderchip kan twee waardes aannemen, 0 of 1. De quantumfysica laat zien dat op het meest fundamentele niveau de natuur heel anders werkt en dat weerspiegelt zich in het duale karakter van de werkelijkheid. Licht bijvoorbeeld kan worden beschreven als een golfverschijnsel, maar ook als deeltjes. Deeltjes op hun beurt ook als een golf, waardoor ze een typisch golfverschijnsel als interferentie vertonen en zich op hetzelfde moment op verschillende posities kunnen bevinden. Gevolg is dat in de wereld van de quantumverschijnselen iets zowel waar als niet waar kan zijn, 0 én 1; men spreekt van een superpositie van toestanden. Een quantumbit (qubit) kan ook alle tussenliggende waarden hebben; pas bij het uitlezen van het bit rolt er een 0 of 1 uit. Waar een klassieke computer rekent met dat digitale, harde onderscheid, kan een quantumcomputer met veel meer ‘nuance’ rekenen door ook alle tussenliggende mogelijkheden mee te nemen. Dat past natuurlijk veel beter bij onze complexe werkelijkheid.
Verstrengeling is het tweede ‘vreemde’ quantumverschijnsel: twee qubits kunnen door een trigger, bijvoorbeeld een lichtsignaal, aan elkaar worden gekoppeld. Die verstrengeling is een exclusieve verbinding, niet van buitenaf te kraken, en blijft in stand, hoever de twee qubits ook van elkaar zijn verwijderd. Wordt een van beide bits uitgelezen, dan is meteen het andere qubit bekend. Niemand kan daarbij meekijken of inbreken en dat moet datauitwisseling absoluut veilig maken.
