Nieuwe quantumrevolutie biedt Nederlands bedrijfsleven kansen

Begin 20^ste eeuw ontwikkelden vooraanstaande fysici als Einstein, Bohr en Schrödinger en Heisenberg de quantumtheorie als reactie op onderzoeksresultaten die met de toenmalige theorieën niet konden worden verklaard. De theorie beschrijft het gedrag van energie en materie op atoomniveau en heeft in de tweede helft van de 20^e eeuw geleid tot de ‘eerste quantumrevolutie’. Deze heeft baanbrekende technologieën opgeleverd zoals de transistor, solid-state verlichting, lasers en GPS.

TWEEDE QUANTUMREVOLUTIE

Nu, ruim 100 jaar later, staat quantumtechnologie aan de basis van een ‘tweede quantumrevolutie’, waarin tot nu toe onbenutte quantumeffecten toegepast zullen gaan worden in allerlei apparaten. Er wordt door kennisinstellingen en bedrijven hard gewerkt om de technologische uitdagingen die daar bij komen kijken het hoofd te bieden en quantumtechnologie te vertalen naar concrete toepassingen. Als medeoprichter van QuTech is TNO er van overtuigd dat dit kansen biedt voor het Nederlandse bedrijfsleven en het oplossen van maatschappelijke uitdagingen.

SLEUTELPRINCIPES – HOE WERKT HET?

Twee belangrijke maar moeilijk te bevatten principes uit de quantummechanica – verstrengeling en superpositie – vormen de basis van de tweede quantumrevolutie.

• Superpositie: Een quantumdeeltje kan zich in een combinatie van meerdere toestanden tegelijk bevinden, bijvoorbeeld zich op meerdere plekken tegelijk bevinden. Pas wanneer we een meting doen, leggen we de plek vast. Dit is dus anders dan bij bijvoorbeeld een munt, waarbij we weten dat óf kop óf munt boven ligt, maar niet een combinatie van beide die pas tot een bepaling van ‘kop’ of ‘munt’ leidt wanneer we naar de munt kijken.
• Verstrengeling: Twee of meer quantumdeeltjes (bijvoorbeeld fotonen of elektronen) kunnen samen als het ware één systeem vormen, waarin ze met elkaar verbonden lijken door een onzichtbare band. Als twee deeltjes verstrengeld zijn, geeft een meting van de toestand van het ene deeltje instantaan informatie over de toestand van het andere deeltje, zelfs als de deeltjes zich op grote afstand van elkaar bevinden. Het lijkt dan of ze instantaan, dus sneller dan het licht, met elkaar communiceren en informatie uitwisselen.

QUANTUMCOMPUTER – COMPLEXE BEREKENINGEN OPLOSSEN

Van dit bijzondere gedrag van kleine quantumdeeltjes kunnen we gebruikmaken, bijvoorbeeld bij de quantumcomputer. Een klassieke computer rekent met bits, eenheden van digitale informatie, die een waarde 0 of 1 kunnen hebben. Quantumbits (qubits) van een quantumcomputer kunnen tegelijkertijd 0 én 1 zijn. Qubits kunnen zich daardoor collectief in een superpositie van alle mogelijke toestanden bevinden. Dit geeft quantumcomputers een enorme verwerkingssnelheid. Dat komt doordat, bijvoorbeeld bij het oplossen van de route in een doolhof, niet alle opties één voor één maar allemaal tegelijkertijd getoetst kunnen worden. Daardoor kunnen quantumcomputers in potentie bepaalde complexe problemen oplossen die voor klassieke computers praktisch onoplosbaar zijn, omdat de berekening op een klassieke computer eeuwen zou kunnen duren. Zie ook het voorbeeld hieronder.

Een universele quantumcomputer zal een zeer complex systeem zijn, waarvoor een integraal systeemontwerp voor de hardware en besturingssoftware vereist is. TNO en de TU Delft hebben dit erkend als grote uitdaging en bouwen daarom samen een prototype quantum computer. TNO's ervaring met systeemontwerp voor EUV lithografie en satelliet instrumenten wordt hierin toegepast. Het quantumcomputerplatform Quantum Inspire (QI) geeft gebruikers toegang tot verschillende technologieën om quantumberekeningen uit te voeren.

QUANTUMSIMULATIE – COMPLEXE SYSTEMEN SIMULEREN

Een quantumsimulator is in feite een quantumcomputer met één specifieke toepassing, oftewel een ‘special purpose quantumcomputer. Dergelijke quantumsimulators bieden de mogelijkheid om problemen uit de vastestoffysica, quantumchemie, materiaalkunde en hoge-energiefysica op te lossen. Dankzij de quantummechanische interacties (gebaseerd op superpositie of verstrengeling) tussen de atomen, elektronen, of fotonen kunnen deze systemen andere complexe quantumsystemen simuleren.

TNO ontwikkelt met partners dit soort quantumsimulators. Zowel voor quantumsimulatoren, quantumcomputers en quantumcommunicatie systemen zijn hoogwaardige nano-devices nodig, die in TNO cleanrooms worden gefabriceerd en geoptimaliseerd.

QUANTUMCOMMUNICATIE – VEILIGE DATAVERBINDINGEN

In quantumcommunicatie speelt het principe van verstrengeling een belangrijke rol. Qubits kunnen met elkaar verstrengeld worden, waardoor er correlaties tussen de quantumtoestanden van verschillende deeltjes tot stand gebracht kunnen worden over grote afstanden. Bovendien kunnen qubits niet met behoud van superpositie gekopieerd worden. Met als resultaat dat iedere poging om qubits te onderscheppen gedetecteerd wordt. Quantumcommunicatie is daarom in potentie extreem veilig.

TNO houdt zich bezig met het modeleren, simuleren en integreren van quantumnetwerken en onderzoekt de verschillende toepassingsmogelijkheden. Daarnaast is TNO betrokken bij het ontwerpen en fabriceren van geavanceerde optische systemen in toekomstige quantumnetwerken, zoals quantum-geheugens en frequentie-converters. Met partners uit de ruimtevaart industrie onderzoekt TNO de mogelijkheden van quantumcommunicatie  met en tussen satellieten.

QUANTUMSENSING – HOOGWAARDIG METEN

Quantumsensoren kunnen veranderingen in temperatuur, straling, versnelling, tijd en elektrische of magnetische velden waarnemen. Deze sensoren onderscheiden zich van klassieke sensoren door hun hoge gevoeligheid en hun hoge resolutie. Dit maakt bijvoorbeeld het doormeten van extreem kleine structuren, zoals DNA, mogelijk. De eerste systemen die gebruik maken van quantumsensoren zijn inmiddels verkrijgbaar.

Dankzij de continue ontwikkelingen zullen op langere termijn betere navigatiesystemen, radarsystemen en medische detectietechnieken binnen bereik komen. Ook TNO zet zich hier voor in en verkent de mogelijkheden voor de ontwikkeling van quantumsensoren voor de hightech machinebouw en halfgeleiderindustrie, waar metrologie een grote uitdaging vormt.

KOPPOSITIE NEDERLAND VERSTERKEN

Quantumtechnologie houdt een grote belofte in voor samenleving, industrie en wetenschap. Om die belofte waar te maken, is de Nationale Agenda Quantumtechnologie (NAQT) opgesteld. Deze agenda heeft als doel de positie van Nederland als voortrekker en pionier in de ontwikkeling van quantumtechnologie te behouden en verder te versterken als internationaal kennis- en innovatieknooppunt voor quantumtechnologie.

Als één van de oprichters van QuTech heeft TNO mogen bijdragen aan de  NAQT. QuTech is een expertisecentrum dat zich, in samenwerking met bedrijven, richt op wetenschappelijke uitdagingen en technische problemen op het gebied van quantum computing en het quantuminternet.

LINK MET ANDERE ROADMAPS EN EXPERTISEGROEPEN

Activiteiten met betrekking tot quantumtechnologie zijn gecentreerd in QuTech. Binnen TNO bevind de kennis zich voornamelijk binnen de Semiconductor roadmap binnen de unit Industrie van TNO, maar dienen ook andere roadmaps zoals Space & Scientific Instrumentation en de Units Defensie & Veiligheid en ICT.

Ook verschillende expertisegroepen binnen TNO dragen bij aan de quantumontwikkelingen:

- De Quantumtechnologiegroep richt zich op het ontwerp en de fabricage van quantumapparaten en -systemen die daar gebruik van maken;
- De Cyber Security and Robustness (CSR) groep, die een sterke focus heeft op algoritme-ontwikkelingen (voor quantumcomputing en quantumcommunicatie);
- De Radartechnologiegroep, die quantumsensing inzet voor defensietoepassingen.