2025 is het jaar van quantum: ‘Hard op weg naar een Europees quantumbeveiligd netwerk’

Complexe berekeningen en ongekende snelheden: in onze datagestuurde samenleving beloven quantumcomputers een grote vooruitgang. Bij het Eindhoven Hendrik Casimir Instituut (EHCI) wordt intensief onderzoek gedaan naar de toepassingen van fotonica en quantumtechnologie. We spreken met programmamanager Gijs Hijmans over een spannend jaar dat voor ons ligt. “Quantumcomputers ‘made in Eindhoven’ zullen de maatschappij vooruithelpen.”

2025: het jaar van de quantumtechnologie

De Verenigde Naties hebben 2025 uitgeroepen tot International Year of Quantum Science and Technology (IYQ). Dit jaar, precies 100 jaar na het ontstaan van de quantummechanica, zal wereldwijd gevierd worden met activiteiten gericht op het vergroten van het publieke bewustzijn over het belang van quantumwetenschap en de toepassingen ervan.

Quantumtechnologie is niet iets wat je gemakkelijk even aan de keukentafel uitlegt. Toch is Hijmans daar als programmamanager bij TU/e-instituut EHCI, erg bedreven in geworden. Hij informeert bedrijven en organisaties voortdurend over deze tak van de wetenschap, en vooral ook over de veelbelovende toepassingen ervan in de maatschappij.

De technologie, zo legt hij uit, maakt gebruik van de principes van de quantummechanica: dat gaat over de eigenschappen van de kleinste deeltjes in het universum, zoals elektronen en fotonen. “In plaats van de binaire "bits" die traditionele computers gebruiken (die alleen de waarden 0 of 1 kunnen aannemen), werkt quantumcomputing met qubits. Een qubit kan door het principe van superpositie tegelijkertijd 0, 1, of een combinatie van beide zijn. Daarnaast kunnen qubits via verstrengeling samenwerken." Het resultaat: quantumcomputers kunnen bepaalde berekeningen veel sneller uitvoeren dan klassieke computers.

Steeds vaker maken bedrijven en instanties gebruik van de technologie. Denk aan een toepassing als quantumnavigatie voor vliegtuigen of schepen, of aan quantumsensoren en zwaartekrachtmetingen. Een andere, opkomende toepassing, vinden we in de gezondheidszorg. Het vouwen van eiwitten is een proces dat erg lastig te berekenen is. Dit is cruciaal voor medisch onderzoek, bijvoorbeeld om te begrijpen hoe medicijnen reageren met specifieke eiwitten en zo gewenste effecten te bereiken. Hijmans: “Ik weet nog, toen ik zestien was, dat ik een programma draaide op mijn computer thuis om te helpen berekenen hoe eiwitten zich vouwen. Mijn computer was onderdeel van een wereldwijd netwerk.” Dat gebeurde toen nog met een ‘normale’ computer en gelimiteerde rekenkracht. De potentie van quantumcomputers, echter, gaat nog veel verder. “In de toekomst, hoewel dat nog wel 50 of 100 jaar kan duren, zou je bijvoorbeeld hele sets aan eiwitten kunnen doorrekenen. Stel je voor: een patiënt met een specifieke ziekte kan een geneesmiddel krijgen dat volledig is afgestemd op zijn of haar genoom. Het quantumalgoritme zal precies berekenen hoe dat medicijn interacteert met het eiwit, zonder bijwerkingen op andere eiwitten in het lichaam. Hoewel dit toekomstmuziek is, laat het zien wat er mogelijk is met quantumtechnologie.”

Gijs Hijmans. Credits: Vincent van den Hoogen, TU/e

Eindhovense quantumcomputer gaat online

Quantumtechnologie bevindt zich nog in een relatief vroege ontwikkelingsfase. Zo zijn quantumcomputers nog niet krachtig genoeg voor grootschalige commerciële toepassingen. Bovendien zijn ze gevoelig voor ruis en fouten.

Maar, er staan dit jaar spannende dingen te gebeuren bij EHCI die daar verandering in moeten brengen. Hijmans: “We bouwen momenteel een neutrale atoom quantumcomputer. Deze werkt met atomen die op hun plek worden gehouden met lasers. Dus we gaan niet voor de meeste qubits, maar voor de beste controle. We hebben de afgelopen jaren hard gewerkt aan deze technologie, en begin dit jaar gaat de computer online.” Hij zal aangesloten worden op Quantum Inspire: een project waarbij Nederlandse quantumcomputers op dezelfde manier bediend worden: via het internet. In Delft zijn bijvoorbeeld supergeleidende en spin quantumcomputers die ook zijn aangesloten.

Al deze verschillende soorten computers hebben hun eigen voor- en nadelen. Supergeleidende computers hebben nu in de orde van 100 qubits, neutrale atomen hebben er veel meer (1000'en in commerciële systemen). Dus momenteel winnen neutrale atomen de race. Maar de race is zeker nog niet voorbij, zegt Hijmans. “Er zijn uitdagingen in allebei de technologieën en er liggen concurrenten op de loer.”

Nieuw project legt basis voor quantuminternet via de ruimte

TNO gaat onderzoeken welke rol de ruimte kan spelen voor quantum informatienetwerken.

Een Europees netwerk

Ook op Europees niveau worden er in 2025 ambitieuze plannen gerealiseerd. De Europese Commissie werkt samen met de 27 EU-lidstaten en het Europees Ruimteagentschap (ESA) aan de ontwikkeling van EuroQCI. Dit netwerk werkt met Quantum Key Distribution (QKD). Dat is een techniek om sleutels veilig te delen via quantummechanica. Daarmee worden gegevens beschermd tegen quantumhacking: het kraken van encryptie met behulp van superkrachtige quantumcomputers. Het netwerk zal gevoelige gegevens en kritieke infrastructuren beschermen door quantumgebaseerde systemen te integreren in bestaande communicatienetwerken. Dit zal uiteindelijk de bescherming van Europese overheidsinstellingen, datacentra, ziekenhuizen en energienetwerken versterken. “Uiteindelijk willen we in Europa een beveiligde quantumverbinding van hoofdstad naar hoofdstad creëren”, licht Hijmans toe. De oproep is inmiddels open om de internationale links te realiseren. Mogelijk zullen we dit jaar de eerste internationale verbindingen zien. Ook Eindhoven wordt op den duur aangesloten.

In Eindhoven wordt er nu al volop onderzoek gedaan naar dargelijke beveiligde verbindingen. Afgelopen jaren deed EHCI uitgebreid onderzoek met het testbed voor Quantum Key Distribution (QKD). Hijmans: “Eindhoven heeft een focus op industrialisatie van zulke verbindingen. Om de industrie te helpen leggen we verbindingen rondom Eindhoven aan en een connectie is al gemaakt naar nabijgelegen dorp Waalre.” Zo kunnen hardware ontwikkelaars bijvoorbeeld nieuwe technieken testen, kijken hoe quantum verbindingen functioneren in de echte wereld of werken aan integratie ervan in normale netwerken.

Ook aanbieders van verbindingen komen aan bod: “We hebben de beschikking over quantumapparatuur van verschillende aanbieders. Internetproviders kunnen zien wat het beste in hun netwerk past en met ons hun netwerk ontwikkelen zodat het goed functioneert en daadwerkelijk veilig is."

Een eeuw vol ontwikkelingen

Eén ding is zeker: in het afgelopen decennium heeft quantumtechnologie grote sprongen gemaakt. Steeds meer apparaten die gebruikmaken van deze technologie zijn inmiddels beschikbaar. Het wijdverbreide gebruik van quantumcomputers laat nog even op zich wachten. “Maar dit jaar gaan we hier in Eindhoven in ieder geval grote stappen zetten om de technologie breder toepasbaar te maken”, besluit Hijmans.