Kwantumtechnologie komt in kleine stapjes dichterbij

Op weg naar een quantuminternet

Eén eigenschap is de zogeheten quantum entanglement waarmee twee deeltjes, bijvoorbeeld twee fotonen (lichtdeeltjes), op afstand met elkaar ‘verbonden’ zijn. Bijvoorbeeld: als het ene deeltje + is, is het andere tegenovergesteld -, en als het ene deeltje verandert naar +, verandert het andere naar -. Zo’n verbinding is uniek en uiterst gevoelig: bij de kleinste verandering raakt de quantum entanglement onmiddellijk verbroken.

Onderzoekers proberen met dit principe een wereldwijd communicatienetwerk, een quantum internet, te creëren dat niet kan worden afgetapt of gehackt. De grootste praktische uitdagingen zijn het creëren van meerdere stabiele verbindingen en over hele grote afstanden.

China lijkt hierin op dit moment een voorsprong te hebben. In 2016 lanceerde het land al een satelliet waarmee quantumverbindingen kunnen worden gemaakt over hele grote afstanden. Het systeem werkt met lasers in plaats van traditionele antennes.

Niet af te luisteren, niet te hacken

Nederland doet op het gebied van quantumcommunicatie aardig mee. Met name rondom de TU Delft is een cluster van jonge spin-off bedrijfjes te vinden zoals QBird, Single Quantum, Quantware, QBlox en Orange Quantum Systems.

Het Delftse QBird heeft dit jaar een belangrijke stap gezet in de commercialisatie van quantumcommunicatie. Het bedrijfje heeft een systeem gebouwd, een soort modem of router, voor de veilige uitwisseling van gevoelige data tussen computers en systemen. Tussen twee computers wordt een beveiligde quantumlink aangelegd, die gebaseerd is op quantum entanglement. Pogingen tot afluisteren of hacken worden direct opgemerkt omdat daardoor de ‘quantumlink’ wordt verbroken. De dataoverdracht of communicatie, die bovendien beveiligd is met geavanceerde encryptie, wordt dan meteen stopgezet door het systeem. Hackers krijgen zo geen toegang tot informatie. QBird test zijn eerste product nu uit in de Rotterdamse haven. De toekomstige systemen van QBird zullen nog meer verbindingen mogelijk maken om daarmee nog grotere netwerken en systemen te kunnen beveiligen.

China kwam deze maand in het nieuws met een grote doorbraak op het gebied van een computerchip die meerder quantumverbindingen tegelijkertijd kan maken. China gebruikt hiervoor computerchips die werken met fotonen (lichtdeeltjes) in plaats elektronen.

Een besturingssysteem voor het quantuminternet

Recent werd nog een andere belangrijke doorbraak gemeld door Nederlandse onderzoekers. Samen met Europese collega’s publiceerden zij het eerste ‘besturingssysteem’ voor quantumnetwerken. Een laag software bovenop het netwerk. Programmeurs kunnen nu toepassingen gaan ontwikkelen voor quantumcommunicatie zonder dat ze zich druk hoeven te maken over de onderliggende technologie, zoals de manier waarop ‘quantumlinks’ worden gemaakt. Verschillende toepassingen worden hiermee ook compatibel.

Het ‘besturingssysteem’ heeft een vergelijkbare functie als het internetprotocol (www, http, TCP/IP) voor de reguliere computernetwerken: het standaardiseren van de communicatie en de verwerking van informatie waarmee systemen over de hele wereld met elkaar kunnen praten.

Bovendien is het voor de doorbraak van een nieuwe technologie essentieel dat er naast de onderliggende hardware en software ook toepassingen worden ontwikkeld. Zo zijn apps essentieel geweest voor de grote doorbraak van het mobiele internet rond 2010. Er werden toepassingen ontwikkeld die door de grote bedrijven achter internet nooit bedacht waren.

Kleine stapjes

De recente doorbraken laten zien dat er op het gebied van quantumcommunicatie toepassingen dichterbij aan het komen zijn. Op andere terreinen zoals quantum computing is waarschijnlijk nog een langere weg van onderzoek en ontwikkeling nodig. Uiteindelijk zal de verdere uitrol van quantumtechnologie geleidelijk verlopen en in combinatie met nieuwe computers, kunstmatige intelligentie, software en fotonica.

China, de Verenigde Staten investeren miljarden in QT. Via onder andere het Groeifonds investeert de Nederlandse overheid meer dan 615 miljoen euro in het nationale programma QuantumDeltaNL. Deze maand werd bekend dat ook de derde fase van dit geld definitief is toegekend. De plannen voor deze fase zijn bijgesteld op basis van recente ontwikkelingen. Amerikaanse bigtech laat zich niet onbetuigd: ook Google, Amazon en IBM investeren fors in QT. Zij kopen in een vroeg stadium kansrijke startups (uit Europa) op, zoals ze dat ook bij AI doen.

De ontwikkelingen gaan met vallen en opstaan. Een eerdere vinding van de TU Delft (het Majorana-deeltje), die eerder een belangrijke doorbraak leek te zijn voor quantum computers, werd later in twijfel getrokken. Microsoft had zich inmiddels voor miljoenen ingekocht maar is nu alweer op zoek naar de volgende vinding.

China stopt miljarden in QT in een hoop de Amerikanen voor te zijn op het gebied van quantum computing en AI. Een niet af te luisteren quantum internet staat zeer hoog op het verlanglijstje van Chinezen.

Geopolitiek

De Chinese overheid investeert zelf direct in (het opschalen van) bedrijfjes en grote nationale programma’s waaraan Baidu en Alibaba hun eigen onderzoek hebben overgedragen. Hierdoor kan er stabiel en fors geïnvesteerd worden. Toch loopt de Chinese overheid ook het risico om ‘op het verkeerde paard’ te wedden.

In dat opzicht valt meer te zeggen voor het op concurrentie gebaseerde ontwikkeling van QT in Europa en de Verenigde Staten. Hoewel ook hier geopolitiek wordt bedreven.  Zo hebben beide continenten een streng beleid om hun kennis te beschermen. Een hiervan is het uitsluiten van Chinese onderzoekers in de onderzoeksprogramma’s. Amerika beschermt de eigen belangen ook onder noemer van nationale veiligheid en vanuit defensie gefinancierde programma’s met geheimhouding. Europese programma’s stimuleren vooral Europese samenwerkingsverbanden. Hierbij speelt ook de strijd om het aantrekken en vasthouden van talentvolle onderzoekers. Zo bezien maakt één QBird nog geen Nederlandse zomer.