Quantumzekerheid: de QuTech-belofte ingelost

Het begon allemaal als theoretisch concept: gebruik een aantal complexe eigenschappen van quantummechanica, de natuurkunde van ultrakleine deeltjes, om bepaalde berekeningen uit te voeren. Hiermee zou je ook informatie op een fundamenteel niet-afluisterbare manier kunnen overdragen. Waar de computers die we in ons dagelijkse leven gebruiken bits gebruiken, informatie-eenheden die 1 of 0 kunnen zijn, gebruiken quantumcomputers quantumbits, die elke combinatie van 1 en 0 kunnen zijn. Zo'n quantumbit of 'qubit' kan bestaan uit een enkel elementair deeltje, dat volgens de quantummechanica in een gecombineerde toestand kan bestaan, een zogenaamde superpositie.

Geïnspireerd door deze mogelijkheid begonnen natuurkundigen te zoeken naar verschillende qubit-kandidaten: natuurkundige systemen die zo'n quantummechanische toestand kunnen behouden en manipuleren, ondanks dat die toestand over het algemeen extreem kwetsbaar is (zie hieronder: de onbesliste qubit-race).

De quantumrevolutie

Nadat theoretische wis- en natuurkundigen deze concepten verder onderzochten, vond begin jaren 2000 de quantumrevolutie plaats. Grote universiteiten en bedrijven zoals IBM, Google, Intel, Microsoft en Fujitsu begonnen aan quantumcomputers te werken, geïnteresseerd in toepassingen die alleen met deze technologie mogelijk waren. Twee toepassingen zijn met name belangrijk voor de toekomst van de quantumtechnologie. Eén daarvan is de beroemde quantumcomputer, een computer die bepaalde berekeningen onmetelijk veel sneller kan uitvoeren dan een normale computer ooit zou kunnen.

'Neem bijvoorbeeld berekeningen over de structuur van moleculen en materialen,' zegt Vandersypen, 'aangezien de atomen en elektronen die hun gedrag bepalen zich houden aan de regels van de quantummechanica. Je kunt je bijvoorbeeld voorstellen dat we batterijen kunnen ontwikkelen die zo krachtig zijn dat je je telefoon maar één keer per week hoeft op te laden, of elektrische auto's met een actieradius die groot genoeg is om in één keer naar Zuid-Frankrijk te rijden. Of denk aan efficiëntere chemische fabrieken, geneesmiddelen tegen ongeneeslijke ziektes en geoptimaliseerde kunstmest die gewassen beter laat groeien, maar minder belastend is voor het milieu.'

Nog een belangrijke quantumtechnologie is quantumcommunicatie: een soort veilige communicatie die niet kan worden afgeluisterd. Vandersypen: "Door de quantumeigenschappen van de verbindingen en knooppunten zal elke onderschepping merkbaar zijn.
 

QuTech

Omdat het onderzoek van TU Delft tot nog meer quantumdoorbraken leidde, werd in 2015 QuTech opgericht, met als doel om van Nederland een centrum van quantumtechnologie te maken. Ongeveer twee derde van het onderzoek van QuTech is gericht op quantumquantumcomputing, een derde richt zich op quantuminternet,' vertelt Vandersypen.

De breedte en reikwijdte van het onderzoek dat QuTech doet, maakt ons uniek, vertelt Kees Eijkel, Director of Business Development bij QuTech. 'We weten nog niet welke qubit-kandidaat uiteindelijk het handigst is voor de ontwikkeling van quantumtechnologie. Het zouden er zelfs meerdere kunnen zijn. Waar veel spelers kiezen voor een verticale aanpak: één type qubit, één type computer, zeggen wij: op elk niveau zijn er meerdere mogelijkheden. En wij blijven aan die mogelijkheden werken zolang ze nog een kans hebben om te winnen.'

'Naast het type qubit is er veel aandacht voor het aantal qubits,' zegt Lieven Vandersypen. De krantenkoppen schrijven met grote letters over quantumcomputers die uit steeds meer qubits bestaan. Zo kondigde IBM afgelopen mei een computer met 433 qubits aan. 'Maar er zijn nog veel meer factoren die een rol spelen,' zegt Vandersypen. 'Het is heel belangrijk hoe goed je je qubits onder controle kunt houden: de betrouwbaarheid'. De quantuminformatie die met qubits wordt opgeslagen, is erg kwetsbaar. Qubits moeten dus beschermd worden en precies op de juiste manier met andere qubits wisselwerken om quantumapplicaties te bouwen.

De derde factor is de connectiviteit: het aantal verbindingen dat elke qubit kan maken. Vandersypen: 'In een ideale wereld kan elke qubit met elke andere qubit praten. Maar in de praktijk blijkt vaak dat qubits alleen met hun directe buren praten.’

Unieke Delftse aanpak

Hoewel de wetenschappers van QuTech hard werken om deze aantallen te verhogen, gaat het hier alleen nog maar om de kern van een quantumquantumsysteem, dat uit nog veel meer onderdelen bestaat: van ultranauwkeurige elektronica om de qubits onder controle te houden en uit te lezen, tot kabels waarmee de quantuminformatie wordt verstuurd. En van betrouwbare fotondetectoren tot koelsystemen die de benodigde -273 graden Celsius kunnen leveren.

Ook hier is de aanpak van QuTech uniek. 'Bij QuTech richten we ons sterk op het volledige systeem, de full stack zoals wij zeggen,' aldus Vandersypen. Terwijl partijen zoals IBM en Google ervoor kiezen om deze full stack helemaal zelf te ontwikkelen, wil QuTech juist een ecosysteem opbouwen van onderzoeksgroepen en bedrijven die de afzonderlijke componenten ontwikkelen.

De quantumstart-up Q*bird werkt bijvoorbeeld aan de quantumsleuteldistributie: een essentieel aspect van veilige quantuminternetwerken. Een andere start-up, Quantware, bouwt quantumchips, Orange Quantum Systems ontwikkelt kalibratiesoftware voor quantumsystemen en de start-up Qphox werkt aan verbindingen die quantuminformatie optisch kunnen doorsturen. Een spin-out van de universiteit, Single Quantum, ontwikkelt supergeleidende apparaten met nanodraden die afzonderlijke fotonen of lichtdeeltjes heel nauwkeurig kunnen detecteren.

House of Quantum

Veel start-ups zijn gevestigd in het incubatiecentrum House of Quantum in Delft. 'Er wordt veel samengewerkt en gediscussieerd, en we werken samen aan ontwikkelingsprojecten om elkaars technologie te evenaren,' zegt Niels Bultink, CEO van Qblox, een scale-upbedrijf dat besturingselektronica voor quantumtechnologie ontwikkelt, bouwt en verkoopt.

‘Als promovendus heb ik in Delft experimenten gedaan voor foutcorrectie, een manier om verschillende qubits te combineren tot één betrouwbare qubit. Hier had ik speciale apparatuur voor nodig die door TNO werd ontwikkeld’, zegt Bultink. 'Halverwege het promotieproject realiseerden we ons: We kunnen hier een bedrijf van maken.'

Vijf jaar geleden was de elektronica om quantumchips aan te sturen behoorlijk ingewikkeld: 'We gebruikten veel standaard laboratoriumapparatuur: golfgeneratoren, oscilloscopen, en we werkten ieder afzonderlijkj aan ons besturingssysteem. Zo werkt universitair onderzoek nu eenmaal. Maar het kost tijd om dingen op te schalen. Het is duur en behoorlijk foutgevoelig.'

Dus ontwierp en bouwde Qblox speciale, schaalbare elektronica die al deze functies samenvoegt in één geminiaturiseerd, modulair systeem dat 20 qubits met een nauwkeurigheid van picosecondes kan aansturen. Hierdoor wordt alles veel schaalbaarder, en klaar voor grote quantumchips. 'Er werken intussen 85 mensen hier,' vertelt Bultink, 'en we hebben meer dan 100 bestellingen. Zelfs in onze beginjaren waren we al winstgevend. Ik denk dat we niet echt een start-up meer zijn, maar een scale-up.'

Fujitsu

QuTech werkt ook samen met grote bedrijven als Intel, Microsoft en sinds kort ook met het Japanse Fujitsu. 'QuTech bouwt opties voor een schaalbaar quantumsysteem,' aldus Kees Eijkel. 'Een experiment dat werkt in een laboratorium is slechts de eerste stap. Je moet er tien, honderd, duizend bouwen, en ze moeten betrouwbaar en uiteindelijk ook kostenefficiënt zijn.'

Om de brug te slaan tussen fundamenteel onderzoek en de commerciële activiteiten van bedrijven gebruikt QuTech zogenoemde demonstratieprojecten: functionele 'full stack'-systemen om de quantumtechnologie te demonstreren. Eén van die demonstratieprojecten is Quantum Inspire, een online interface waarmee iedereen een echt quantumsysteem met vijf qubits – gevestigd in Delft – kan testen.

Een ander demonstratieproject is het stervormige quantuminternet dat de start-up Q*bird in de Rotterdamse haven heeft opgezet om de intrinsieke veiligheid van quantumcommunicatie aan te tonen.

Maatschappij verder helpen

Die betrokkenheid, zegt Vandersypen, gaat twee kanten op. 'We doen dit niet voor onszelf. 'Wetenschap moet de maatschappij verder helpen met nieuwe toepassingen, maar we voelen ook de plicht om de maatschappij over die toepassingen te informeren. quantumtechnologie is een nieuwe technologie, en dat heeft altijd onverwachte gevolgen – soms goed, maar soms ook gevaarlijk. Hier willen wij onze verantwoordelijkheid nemen en deel uitmaken van de discussie.'