Het Quantum Delta NL-programma, waaraan de Universiteit Leiden en TU Delft deelnemen, krijgt 615 miljoen euro uit het Nationaal Groeifonds om Nederland te ontwikkelen tot een koploper in quantumtechnologie. Dit werd 9 april 2021 bekend gemaakt bij de presentatie van de winnende voorstellen in Den Haag.
Nog niet eens zo heel lang geleden was de quantummechanica vooral het speelterrein van fundamenteel natuurkundig onderzoek. Nu lonken de eerste wereldse toepassingen, met als basis de quantumcomputer en het quantuminternet. Hoe zit dat precies en waarom spelen Leiden en Delft daar zo’n belangrijke rol in?
Op de schaal van moleculen en atomen gelden de wetten van de quantummechanica. Deze verschillen nogal van wat we in het dagelijks leven gewend zijn. Zo bestaat een qubit - het fundamentele bouwblok van alle quantumtechnologie – bijvoorbeeld uit een enkel elektron dat zich in twee quantumtoestanden tegelijk bevindt (‘spin up’ = 1, en ‘spin down’ = 0). Dit in tegenstelling tot een bit van de klassieke computer die óf de waarde één óf de waarde nul heeft.
Maar de werkelijke kracht van quantumtechnologie zit erin dat qubits met elkaar verstrengeld kunnen worden. Hierdoor verdubbelt de rekenkracht van een quantumcomputer met elk qubit dat eraan toegevoegd wordt en zet deze al snel – voor bepaalde rekentaken – de grootste supercomputers te kijk. Bovendien staat verstrengeling een 100% veilige uitwisseling van informatie tussen twee knooppunten van het quantuminternet toe.
Opschalen en een killer-app
De doorbraak van onderzoekslab naar zo goed als toepasbare quantumtechnologie komt door de steeds betere controle over en manipulatie van qubits, en door het inzicht dat er zinvolle problemen mee zijn op te lossen – op bijvoorbeeld het gebied van energie, voedselproductie, medicijnontwikkeling en cybersecurity. Maar zover is het nog niet.
‘Een belangrijke uitdaging is dat qubits door verstoringen hun informatie kunnen verliezen voordat een quantumberekening is afgerond,’ zegt Lieven Vandersypen, wetenschappelijk directeur van QuTech en professor in de quantum-nanowetenschappen aan de TU Delft. ‘Corrigeren voor verstoringen vergt een grote overhead waardoor we niet duizenden qubits nodig hebben, maar miljoenen qubits.’
Opschaling is dus een grote praktische uitdaging bij quantumtechnologie. En zelfs met die enorme aantallen qubits zijn we er nog niet. ‘De route naar daadwerkelijke toepassingen is nog niet kristalhelder,’ zegt Carlo Beenakker, professor in de theoretische natuurkunde aan Universiteit Leiden. ‘Quantumtechnologie kan absoluut een gamechanger zijn, maar het kan ook nog steeds zo zijn dat het de torenhoge verwachtingen niet waar kan maken. Iemand moet de zogenoemde killer-app bedenken, zoals Google of Facebook dat is voor onze huidige computers en internet.’
Een lange traditie in quantumonderzoek
‘
Onderzoek naar de natuurkunde op atomaire schaal, de nanofysica, begon binnen Universiteit Leiden met de oprichting van Instituut-Lorentz, nu honderd jaar geleden,’ zegt Beenakker. ‘Als je nanofysica zegt, dan praat je al gauw over atomen en moleculen dus dit mondde als vanzelf uit in quantumonderzoek. Recent hebben we de inspanningen op het gebied van quantumtechnologie binnen natuurkunde en computerwetenschappen gebundeld in AQA (Applied Quantum Algorithms), van waaruit we ook met de industrie samenwerken.’
QuTech: natuurkunde, elektrotechniek, informatica
Aan de TU Delft vindt al sinds de jaren ’80 onderzoek plaats om grip te krijgen op quantummechanische effecten, op chips die veel gelijkenis vertonen met die in gewone computers. ‘In 2014 besloten we samen met TNO tot het oprichten van QuTech,’ zegt Vandersypen. ‘We moesten op een nieuwe manier aan de slag om grote stappen te maken en leidend te kunnen blijven in quantumtechnologie. Naast promovendi en postdocs hebben we een groeiend aantal onderzoekers die zich geen zorgen hoeven te maken over hun wetenschappelijke output. Hierdoor kunnen zij met een echte ingenieursblik naar de problemen kijken.’
Ook bij QuTech komen verschillende disciplines bij elkaar – natuurkunde, elektrotechniek, informatica en sinds kort zelfs industrieel ontwerpen. Die laatsten houden zich bezig met de gebruikerservaring van de opkomende quantumtechnologie.
Een totaalaanpak tot op je schoot
Dankzij hun decennialange samenwerking op onderzoeksgebied hebben Leiden en Delft al veel grote subsidies in de wacht gesleept. Bovendien hebben de twee universiteiten begin deze eeuw de Casimir Research School opgericht, waarin ze masterstudenten en promovendi een opleiding bieden over de volle breedte van nanoscience. Ook zijn er plannen voor een gezamenlijke masteropleiding quantumtechnologie.
Een recent huzarenstukje, aldus Beenakker, is het verkrijgen van een NWA-subsidie (Nederlandse Wetenschapsagenda) in samenwerking met nog twaalf andere kennisinstellingen. Het doel is om het gat tussen de aanstormende quantumtechnologie en de toekomstige gebruikers (zoals de industrie en scholen) te verkleinen. Centraal hierbij staat Quantum Inspire, de eerste Europese online quantumcomputer, waarvan je sinds april 2020 twee verschillende soorten qubits thuis, vanaf de bank, kan aansturen.
Een perfecte match
‘TNO heeft de kar getrokken bij het omzetten van de vele onderliggende natuurkundige experimenten naar het Quantum Inspire demonstrator platform dat 24/7 beschikbaar is,’ zegt Vandersypen. ‘Het is een mooie test voor het systeem als geheel – van de quantumchip tot de klassieke elektronica die hem aanstuurt, tot de computerarchitectuur daar weer bovenop.’
Waar de missie van QuTech is om schaalbare prototypes van quantumcomputers en het quantuminternet te realiseren, alle lagen van de hardware dus, ligt de focus in Leiden juist op de toepassing van deze technologie. ‘Een quantumcomputer bouwen is één ding, hem programmeren is een ander ding,’ zegt Beenakker. ‘Binnen AQA ontwikkelen we algoritmes voor de quantumcomputer van morgen, zodat deze is in te zetten voor het oplossen van praktische problemen binnen de natuurkunde, scheikunde en informatica.’
Geen kolonie op Mars, wel de quantumcomputer
Naar verwachting zal QuTech begin volgend jaar ook een demonstrator van het quantuminternet online zetten, genaamd Quantum Link. Daarnaast is het Quantum Inspire platform in continue ontwikkeling waardoor nog weer complexere algoritmes en toepassingen getest zullen kunnen worden. Zo staat quantumtechnologie, ook in Europa, op de drempel van maatschappelijke toepasbaarheid en durven bedrijven erin te investeren.
‘We zijn optimistisch dat we in vijf tot tien jaar een volwaardige quantumcomputer hebben,’ zegt Beenakker. ‘Begin deze eeuw was de verwachting dat het nog vijftig jaar zou duren, dat is dus veranderd! Een kolonie op mars is deze eeuw niet haalbaar, maar met de quantumcomputer en het quantuminternet kan het heel snel gaan.’ Met dank dus aan fundamenteel onderzoek en ontwikkeling in Leiden en Delft.
Carlo Beenakker is professor in de theoretische natuurkunde aan Universiteit Leiden en gespecialiseerd in de nanofysica, waarbij atomen en moleculen zich gedragen volgens de wetten van de quantumwereld. Eind jaren ’80, toen quantumtechnologie net in opkomst was, werkte hij vanuit het toenmalige Philips NatLab al samen met de TU Delft.
Lieven Vandersypen is professor in de quantum-nanowetenschappen aan de TU Delft en wetenschappelijk directeur van QuTech. Als zestienjarige raakte hij dankzij populairwetenschappelijke boeken gefascineerd door de quantummechanica. Als promovendus, en ook daarna, was hij verantwoordelijk voor enkele mijlpalen op het gebied van quantum computing, waaronder het daadwerkelijk ten uitvoer brengen van quantumalgoritmes.
