Quantumtechnologie in ontwikkeling

Thema:
Quantum technologie

Quantumtechnologie is een sleuteltechnologie die nieuwe producten en diensten mogelijk maakt. De potentie van quantumcomputers, -simulators, -netwerken en -sensoren is enorm veelbelovend voor de samenleving, industrie en wetenschap. We staan daarmee aan de vooravond van een technologische revolutie die kan bijdragen oplossingen voor allerlei grote maatschappelijke uitdagingen.

Hoe werkt quantumtechnologie?

Quantummechanica gaat over deeltjes die kleiner zijn dan atomen. Die deeltjes hebben bijzondere eigenschappen die bij quantumtechnologie worden gebruikt voor technologische vernieuwingen. Van extreem snelle computers tot datacommunicatie op grote afstand.

De principes van quantumtechnologie

2 belangrijke principes voor het begrijpen van quantumtechnologie komen uit de quantummechanica. Het gaat om kleine deeltjes die bijzonder gedrag vertonen, dat we superpositie en verstrengeling noemen.

Superpositie

Een quantumdeeltje kan zich in meerdere toestanden tegelijk bevinden, het kan bijvoorbeeld op meerdere plekken tegelijk zijn. Dit heet superpositie. Pas wanneer we een meting doen, leggen we de plek vast. Dat 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 wordt bepaald wanneer we naar de munt kijken.

Verstrengeling

2 of meer quantumdeeltjes, zoals fotonen of elektronen, kunnen samen één systeem vormen. Deze deeltjes lijken verbonden door een onzichtbare band en dit heet verstrengeling. Als 2 deeltjes verstrengeld zijn, weet je door het meten van de toestand van het ene deeltje, direct meer over de toestand van het andere deeltje. Zelfs als zij zich op grote afstand van elkaar bevinden. Het lijkt alsof ze sneller dan het licht met elkaar communiceren en informatie uitwisselen.

Quantumcomputer
Auteursrecht foto: Marieke de Lorijn

De 2 principes van quantumtechnologie zijn ook goed te begrijpen aan de hand van het voorbeeld van Schrödingers kat.

Kat in superpositie

Dit is een witte kat, die zich in een superpositie bevindt van een toestand 'dood' en een toestand 'levend'. Het plusje ‘+’ geeft aan dat de toestand een superpositie is. De haken ‘[ … >’ zijn een notitie om aan te geven wat één toestand is. Zodra je naar de kat kijkt (dus: een meting uitvoert), neem je de kat óf dood, óf levend waar. Daarmee is de superpositie 'ingestort' en er blijft nog maar één van beide toestanden over.

schrodingers kat superpositie

Afzonderlijke superposities zonder verstrengeling

Dit zijn 2 katten: een witte en een zwarte. Allebei afzonderlijk bevinden ze zich in een superpositie van dood en levend. Als je de witte kat bekijkt en daarmee zijn toestand 'bepaalt', weet je daarmee nog niets over de toestand van de zwarte kat. Deze katten zijn niet verstrengeld.

schrodingers kat afzonderlijke superpositie geen-verstrengeling

Verstrengelde katten

Dit zijn weer 2 katten: een witte en een zwarte. De totale toestand is een superpositie van de toestand 'beide katten zijn dood' en 'beide katten zijn levend'. Als je de witte kat bekijkt en deze blijkt dood, dan is de toestand van de zwarte kat onmiddellijk ook 'dood'. Als de witte kat levend blijkt, dan is de toestand van de zwarte kat onmiddellijk ook 'levend' - zélfs als beide katten zich op grote afstand van elkaar bevinden. Dit noemen we verstrengeling.

Schrodingers verstrengelde katten

Toepassingen van quantumtechnologie

Door het bijzondere gedrag van kleine quantumdeeltjes kan de technologie worden ingezet voor verschillende toepassingen. We leggen 4 toepassingen uit waar TNO aan werkt.

1. Quantumcomputer: complexe berekeningen oplossen

Een quantumcomputer rekent anders dan een klassieke computer. De klassieke computer rekent met bits, dat zijn eenheden van digitale informatie die een waarde van 0 of 1 hebben. Bij een quantumcomputer kunnen de quantumbits, ook wel qubits, tegelijkertijd 0 én 1 zijn. Daardoor kunnen qubits zich collectief in een superpositie van alle mogelijke toestanden bevinden.

Qubits geven quantumcomputers een enorme verwerkingssnelheid. Dat komt doordat zij alle opties niet één voor één afgaan, maar allemaal tegelijkertijd kunnen toetsen. Bijvoorbeeld bij het oplossen van de route in een doolhof, zoals je kan zien in de video over quantumscomputers en quantuminternet. Quantumcomputers kunnen complexe problemen oplossen die voor klassieke computers vrijwel onoplosbaar zijn, omdat de berekening dan eeuwen zou duren.

Het maken van een quantumcomputer is complex, er is bijvoorbeeld een integraal systeemontwerp voor hardware en besturingssoftware nodig. We bouwen samen met TU Delft aan een prototype quantumcomputer, waarin wij onze ervaring met systeemontwerp voor EUV lithografie en salletietinstrumenten inzetten. Het quantumcomputerplatform Quantum Inspire (QI) geeft gebruikers toegang tot technologieën om quantumberekeningen uit te voeren.

2. Quantumsimulatie: complexe systemen simuleren

Een quantumsimulator is een quantumcomputer met één specifieke toepassing (‘special purpose quantumcomputer’). Zo’n simulator maakt het mogelijk om problemen op te lossen uit de vastestoffysica, quantumchemie, materiaalkunde en hoge-energiefysica. Door de quantummechanische interacties tussen atomen, elektronen en fotonen, kan een quantumsimulator andere complexe systemen nabootsen. Wij werken samen met partners aan dit soort simulators. In TNO ‘cleanrooms’ worden de hoogwaardige 'nano-devices' gefabriceerd en geoptimaliseerd, die hiervoor nodig zijn.

3. Quantumcommunicatie: veilige dataverbindingen

In quantumcommunicatie speelt verstrengeling een belangrijke rol. Door verstrengeling van qubits kan de toestand van verstrengelde deeltjes, ook over grote afstand, overeenkomen. Bovendien kunnen qubits niet met behoud van superpositie worden gekopieerd. Elke poging om qubits te onderscheppen wordt dus gedetecteerd. Daarom is quantumcommunicatie in potentie extreem veilig.

Wij modeleren, simuleren en integreren quantumnetwerken en we onderzoeken de verschillende toepassingsmogelijkheden van quantumcommunicatie. Ook zijn we betrokken bij het ontwerpen en fabriceren van geavanceerde optische systemen in toekomstige quantumnetwerken, zoals quantumgeheugen en frequentie-converters. En we onderzoeken de mogelijkheden van quantumcommunicatie met en tussen satellieten, samen met partners uit de ruimtevaartindustrie.

4. Quantumsensing: hoogwaardig meten

Quantumsensoren kunnen veranderingen in temperatuur, straling, versnelling, tijd en elektrische of magnetische velden waarnemen. Dat komt omdat ze gevoeliger zijn en een hogere resolutie hebben dan klassieke sensoren. Dit maakt bijvoorbeeld het doormeten van extreem kleine structuren, zoals DNA, mogelijk. De eerste systemen met quantumsensoren zijn inmiddels verkrijgbaar. En op langere termijn zal dit leiden tot betere navigatiesystemen, radarsystemen en medische detectietechnieken. We onderzoeken daarnaast de mogelijkheden voor de hightech machinebouw en halfgeleiderindustrie, waar metrologie een grote uitdaging is.

Koppositie Nederland versterken

Quantumtechnologie is veelbelovend voor de samenleving, industrie en wetenschap. Nederland is wereldwijd koploper in de inzet van quantumtechnologie. Ook is het bestempeld als sleuteltechnologie door Nederland en andere Europese overheden. Nederland wil zijn positie als voortrekker en pionier in de kennis en ontwikkeling van quantumtechnologie behouden en versterken. Daarom is de Nationale Agenda Quantumtechnologie (NAQT) opgesteld, in opdracht van de Staatssectretaris van Economische Zaken en Klimaat en de topsectoren High Tech Systemen en Materialen en ICT. Expertisecentrum QuTech, waar TNO medeoprichter van is, heeft bijgedragen aan de NAQT.

Meer informatie over Koppositie Nederland versterken tonen verbergen

De NAQT beschrijft hoe Nederland haar toppositie in de wereld de komende jaren verder kan versterken. De agenda deelt quantumtechnologie in 4 toepassingsgebieden in: 'quantum computation', 'quantum communication', 'quantum simulation' en 'quantum sensing & metrology'. De agenda streeft de volgende doelen na:

  • Verbinden van partijen in Nederland en samenwerken aan gezamenlijke doelen en uitdagingen
  • Versnellen van de economische impact van quantumtechnologie voor Nederland
  • Bijdragen aan de maatschappelijke opgaven van de overheid
  • Nederland positioneren als internationaal kennis- en innovatieknooppunt voor quantumtechnologie

Wij richten ons vooral op het vertalen van academische kennis naar toepassingen. En het helpen realiseren van nieuwe toegevoegde waarde voor bedrijven en de BV Nederland.

Meer over quantumtechnologie

Diverse expertisegroepen binnen TNO dragen bij aan de quantumontwikkelingen:

Laat je verder inspireren

3 resultaten, getoond 1 t/m 3

Quantumcomputer vormt ook bedreiging voor onze gegevensbescherming

Informatietype:
Nieuws
23 september 2022

Quantumtechnologie biedt kansen voor de maatschappelij. Tegelijkertijd is het een bedreiging voor onze cyberveiligheid.

Quantum Applicatie Lab brengt quantumtechnologie versneld naar de samenleving

Informatietype:
Nieuws
24 maart 2022

Organisaties die willen onderzoeken welke toekomstige voordelen zij kunnen behalen met de quantumcomputer kunnen vanaf vandaag terecht bij het Quantum Applicatie Lab (QAL). Het QAL is een publiek-private samenwerking met als doel om quantumcomputers toepasbaar te maken voor gebruikers uit verschillende sectoren. Het lab verschaft partijen toegang tot specifieke kennis en technische infrastructuur om de voordelen van quantumtechnologie voor hun vakgebied concreet te gaan verkennen. De initiatiefnemers van het Lab zijn de Universiteit van Amsterdam, het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI), TNO, SURF, TU Delft, het Netherlands eScience Center en IBM Quantum.

Veelbelovend Regeerakkoord met ruime aandacht voor innovatie

Informatietype:
Nieuws
16 december 2021

De vijf Nederlandse topinstituten voor toegepast onderzoek: Deltares, MARIN, NLR, TNO en WUR (verenigd in TO2), zijn positief over het nieuwe Regeerakkoord. Met het oog op de Lissabondoelstelling om 3% van het BBP in R&D te investeren zet het kabinet vol in op onderzoek en innovatie.