Interview
Wat is quantumtechnologie en wat kunnen we ermee?
De quantumcomputer komt eraan
“De quantumtheorie vormt de helft van de grondslag van de moderne wetenschap”, vertelt Ronald Hanson. “Die theorie gaat over het (heel) kleine. De andere helft is de relativiteitstheorie, die gaat juist over het grote.” Ronald Hanson is hoogleraar quantumfysica aan de Technische Universiteit Delft en voorzitter van het Quantum Delta NL bestuur, dat het programma quantumtechnologie van het Nationaal Groeifonds aanstuurt.
Superpositie en verstrengeling Wat is quantumtechnologie en wat kunnen we ermee? Ronald: “Het gaat hier om 2 principes. Het eerste is ‘superpositie’: een superklein ‘deeltje’ kan zich in meerdere energietoestanden bevinden. Zo kan een foton, de kleinste lichteenheid, zich als golf of als deeltje gedragen. Het tweede principe is verstrengeling, meerdere deeltjes hangen met elkaar samen, ook op afstand. Dat betekent dat als we het ene deeltje meten, dat onmiddellijk consequenties heeft voor de toestand van het andere deeltje. Die 2 principes samen zorgen ervoor dat we met quantumtechnologie veel meer kunnen dan tot nu toe mogelijk was. We zijn nog bezig om uit te zoeken wat dat allemaal is.”
Qubits van 0 en 1 Interessant zijn bijvoorbeeld de mogelijkheden van een quantumcomputer. Die is niet geschikt voor alle mogelijke berekeningen, alleen voor specifieke taken. Ronald: “De huidige supercomputers kunnen behoorlijk complexe berekeningen uitvoeren. Maar berekeningen aan dna bijvoorbeeld zijn alleen mogelijk met een quantumcomputer.” De onderdelen, qubits, hebben de waarde 0 en 1 tegelijkertijd, ze zijn alleen nog niet heel stabiel. Hun toestanden en de verstrengelingen ertussen moeten lang genoeg in stand blijven om berekeningen uit te voeren. Ronald: “We kunnen nu enkele tientallen qubits koppelen, maar we hebben er miljoenen nodig voor een echt krachtige quantumcomputer.”
Logistiek en versleuteling Met zo’n quantumcomputer kun je bijvoorbeeld eenvoudig de eigenschappen van materialen achterhalen, zonder ingewikkelde chemische bepalingen. Je kunt logistieke vraagstukken oplossen, zoals het ‘handelsreizigersprobleem’ (zie kader). Of een optimale financiële portefeuille samenstellen, rekening houdend met onzekerheden. Of versleutelingen maken die niet door gangbare computers te kraken zijn. Ronald: “We staan nu op het punt dat we ons van kennisontwikkeling naar toepassing bewegen en de markt gaan betreden. Dat gebeurt nu vooral met startups, die we vanuit QuTech ondersteunen. Delft is op dit moment een ‘hotspot’ als het om quantumtechnologie gaat.” Ronald verwacht het eerste netwerk voor quantumcommunicatie rond 2030 (deeltjes in q-toestand versturen) en de eerste computer met grote rekenkracht rond 2035.
Quantumsignalen via kabels Een van die startups is Delft Circuits, waar we mede-oprichter Daan Kuitenbrouwer spreken. Daan begon in 2017 als stagiair en vond het zo boeiend, dat hij niet meer is weggegaan. Daan: “Delft Circuits maakt i/o, dat staat voor input/output, ‘kabels’ in de volksmond, voor quantumcomputers. Deze moet de signalen van en naar de quantumprocessoren leiden. Je kunt hier geen gewone kabels voor gebruiken, omdat de processoren werken met zeer snelle signalen bij extreem lage temperaturen in een vacuümkoelkast. Coaxkabels zijn wel mogelijk, maar nemen te veel ruimte in beslag. Daarom heeft Delft Circuits een nieuw i/o concept ontwikkeld. Er zijn verschillende soorten quantumcomputers die op verschillende qubits draaien, zoals de spinqubit, de ionenqubit, de fotonische of supergeleidende qubit. Die hebben allemaal weer net iets andere kabels nodig.”
“Onze missie is 'excellentie in onderzoek,
impact op de economie'.”
Qubits in het houtgasstadium Kees Eijkel, directeur business ontwikkeling bij QuTech, omschrijft het als volgt: “Het verschil tussen een gewone computer en een quantumcomputer is als een hamer versus een schroevendraaier. Voor sommige rekenproblemen heb je echt een gewone computer nodig, maar voor andere uitdagingen is een quantumcomputer exponentieel effectiever. Alleen is die nu nog gammel. Ter vergelijking: toen de eerste auto’s eind 19e eeuw verschenen, reden die maar een paar kilometer voordat onderhoud nodig was. Sommigen reden op houtgas, andere op stoom en er waren ook auto’s die op benzine reden, een brandstof die niet breed voorradig was. Pas later kwamen de betrouwbare en snelle auto’s van vandaag en is de keuze voor benzine gemaakt. Met qubits zitten we nu in het houtgasstadium.” Kees ziet kansen voor samenwerking op Europees niveau: “Delft vormt een ecosysteem van bedrijfjes en kennisclusters. We zijn bezig dat Europees op te schalen door consortia te vormen. Onze missie is ‘excellentie in onderzoek, impact op de economie.’”
Investeren in quantumtechnologie
Jelmer Olsman, provincie Zuid-Holland: “De metropoolregio Rotterdam – Den Haag en de provincie hebben ieder €200.000 bijgedragen aan een consortium van bedrijven die samen een quantumcomputer bouwen. Daarbij kunnen ze onze steun goed gebruiken. Wij vinden het belangrijk dat er samenwerking is, zoals nu in Quantum Delta en dat we niet afhankelijk zijn van de Verenigde Staten, China of Japan. We hebben in Nederland meer dan voldoende kennis, nu moeten we ook zorgen dat we investeren in de toepassing daarvan.”
De route van de handelsreiziger Het handelsreizigersprobleem is een optimalisatievraagstuk: vind een zo kort mogelijke route tussen een aantal steden, met hetzelfde begin en eindpunt, waarbij elke stad slechts één keer wordt bezocht. Het lijkt heel eenvoudig maar er bestaat geen algoritme om in alle gevallen snel een exacte oplossing te vinden. Een quantumcomputer zou de berekening kunnen maken.
Meer weten? In het dossier Quantumfysica staan overzichtelijke hoofdstukjes over de verschillende aspecten van quantumtechnologie. Ook is er een boeiende lezing van de Amerikaanse theoretisch fysicus Sean Carroll ‘A brief history of quantum mechanics’ te vinden op YouTube. Die duurt ongeveer een uur, dus ga er even voor zitten.