De belofte van quantum

Een quantumcomputer die het precieze gedrag van moleculen kan simuleren, geeft ons bijvoorbeeld de mogelijkheid om nieuwe medicijnen, betere batterijen, krachtiger kunstmest of gezondere voeding te ontwikkelen.

Daarnaast kunnen we gerichter interveniëren als we complexe fenomenen zoals klimaatverandering, het verloop van een ziekte in het menselijk lichaam of wereldwijde logistieke stromen door middel van quantumsimulatie beter kunnen modelleren.

Veiligere communicatie via quantuminternet stimuleert de toepassing van nieuwe digitale technologieën, zoals kunstmatige intelligentie, machine learning en cloud computing.

En met quantumsensoren kan men op heel kleine schaal extreem gevoelige metingen verrichten, op manieren die met ‘gewone’ sensoren onmogelijk zijn.

Kansen en bedreigingen van quantumtechnologie

Quantum binnen TNO

De ontwikkeling van de hardware van de quantum computer en het quantum internet worden in samenwerking met TU Delft opgepakt binnen het samenwerkingsverband QuTech. Vanuit TNO is hier vooral de Quantum Technologie expertisegroep bij betrokken. Binnen TNO bevindt de kennis zich onder andere binnen de Semiconductor roadmap binnen de unit Industrie en ook binnen andere roadmaps zoals Space & Scientific Instrumentation en de Units Defensie & Veiligheid en ICT.

Verschillende expertisegroepen binnen TNO dragen bij aan de quantumontwikkelingen:

• De Quantum technologie expertisegroep 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) en quantum-safe verbindingen.
• De Radartechnologiegroep, die onderzoek doet aan  quantumsensoren voor defensietoepassingen.

Wat is Quantumtechnologie?

Quantum Computing

De quantumcomputer is een computer met een enorme verwerkingssnelheid. 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.

Quantum Inspire

Voor diegenen die altijd al quantum computing hebben willen proberen heeft QuTech Quantum Inspire gelanceerd. Dit quantum computerplatform is ontworpen om jouw eerste stappen in de fascinerende wereld van quantumberekening te ondersteunen én om de kansen te verkennen die de kracht van quantum in de toekomst zal bieden.

Raak geïnspireerd door de toegang tot verschillende technologieën om quantumberekeningen uit te voeren, inzicht te krijgen in de principes van quantum computing en lid te worden van de gemeenschap.

• Lees ook: Europa’s eerste quantumcomputer in de cloud: Quantum Inspire
• Lees ook: Interview met de drijvende krachten achter Quantum Inspire

Quantum simulatie

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

In quantumcommunicatiesystemen 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.

Quantum sensing

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 meten aan extreem kleine structuren, zoals DNA, mogelijk. De eerste sensorsystemen die gebruik maken van quantum effecten zijn al geruime tijd  verkrijgbaar, maar de verwachting is dat het aantal systemen zal toenemen.

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

Zeer innovatieve sensorsystemen, die gebruik maken van quantumtechnologie, zullen ook in het veiligheids- of militaire domein toegepast worden. Deze systemen kunnen zowel een bedreiging vormen als voor afschrikking zorgen. Voor militaire platformen zijn ultra gevoelige sensorsystemen essentieel, maar ook de kennis over hoe om te gaan met een opponent die dit type nieuwe sensoren toepast.

Een voorbeeld hiervan is verbeterde navigatie systemen. TNO Defensie en Veiligheid focust zich op de ontwikkeling, evaluatie en operationele toepassing van quantumsensoren en quantum-enhanced sensoren voor en door de Nederlandse defensie en de nationale politie.

Quantumalgoritmes 

Met behulp van quantumalgoritmes heeft de quantumcomputer de potentie om grote en moeilijke problemen, zoals bijvoorbeeld optimalisatieproblemen, patroonherkenning binnen kunstmatige intelligentie (AI) en simulaties van chemische processen veel efficiënter op te lossen. Het gebruik van deze quantumalgoritmes kan tijdswinst opleveren, maar een ander mogelijk voordeel is dat modellen met minder data toch even goede of zelfs betere resultaten opleveren in vergelijking met klassieke computers. Verwachtingen voor wanneer deze algoritmes op grote schaal beschikbaar zijn, lopen uiteen van tien tot dertig jaar. Op kortere termijn kunnen quantum computers echter al meerwaarde hebben op specifieke problemen.

Binnen TNO werken we aan quantumalgoritmes om de meerwaarde van quantumcomputers aan te tonen. De huidige quantumcomputers zijn nu nog te klein om de gewenste rekenkracht te leveren. Daarom worden veel algoritmes gesimuleerd. Dat doen we onder meer met behulp van Quantum Inspire, het door QuTech ontwikkeld quantumcomputerplatform met onder andere twee typen quantumcomputers en een quantumsimulator. Via simulaties proberen we inzicht te krijgen in benodigde infrastructuur voor toekomstige toepassingen.

Kansen voor de (Nederlandse) industrie

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. De Nationale Agenda Quantum Technologie werd in september 2019 gepubliceerd en is voor iedereen te downloaden.

Kansen voor Communicatie

Veilig financieel verkeer: Quantum Key Distribution

QuTech (een samenwerkingsverband van TNO en TU Delft), ABN AMRO en TNO Space willen samen bewijzen dat de cirkel van optimaal beveiligd dataverkeer, met behulp van een geavanceerde Quantum Key Distributie techniek via glasfiber en door de lucht, gesloten kan worden. Hierdoor is de veiligheid van online en mobiel bankieren toekomstbestendig.

• Lees ook: Veilig internetbankieren toekomstbestendig door quantumtechnologie

Kansen voor de Health Sector

Ontwikkelen van toepassingen voor de quantumcomputer

Quantumcomputers hebben de mogelijkheid om bepaalde problemen vele malen efficiënter op te lossen dan hun klassieke voorgangers. Nu de Quantum Inspire is gerealiseerd wordt er verder gekeken naar de toepassingen van de quantumcomputer. Potentieel zouden quantumcomputers bijvoorbeeld kunnen helpen bij het verbeteren van voorspellingen wanneer in weefsel zich kwaadaardige kanker ontwikkelt. 

Impact op Cybersecurity

Quantum-safe Cryptografie

Hoewel het nog even duurt voor er werkelijk een quantum computer is die cryptografie kan kraken, is het wel zaak nu actie te ondernemen. Alle vercijferde informatie die nu gecommuniceerd of opgeslagen wordt, kan bewaard worden om later gekraakt te worden met een quantum computer.

Om ervoor te zorgen dat vertrouwelijke informatie langdurig veilig blijft, is het van belang om nu al cryptosystemen te ontwikkelen die zowel bestand zijn tegen aanvallen met de huidige computer als de quantum computer; zogenaamde post-quantum cryptografie of quantum-safe cryptografie.

TNO kan bedrijven helpen netwerken quantum-safe te maken en legacy problemen op te lossen. De quantum-safe VPN-verbinding (Virtueel Particulier Netwerk) is daar een voorbeeld van.