Regelmatig verbazen we ons over de snelheid waarmee de technologische ontwikkelingen gaan. Zet u schrap, want de volgende (r)evolutie staat alweer voor de deur: quantumcomputers. Elders in deze editie spreekt Jaya Baloo, Chief Information Security Officer bij KPN, er al over in het kader van security. In dit interview is Anouschka Versleijen, programma- en strategisch directeur van het QuTech Center van de TU Delft, aan het woord.
Om de onvoorstelbaar verstrekkende gevolgen die deze techniek in zich draagt te illustreren, refereren we aan een experiment binnen QuTech met teleportatie. Niet van mensen, maar van informatie. Onderzoekers publiceerden eerst in Science hoe ze als eersten informatie in een quantumbit trefzeker verplaatsten naar een qubit op drie meter afstand, zonder dat de informatie reisde op een verbinding. Dat is de aanzet tot het quantum-internet waarbinnen supersnelle quantum-computers rekenexercities, die nu nog jaren vergen, straks in een oogwenk uitvoeren. Tijd en ruimte spelen als het ware geen rol meer. Bovendien is onopgemerkt afluisteren in zo’n netwerk fundamenteel onmogelijk.
Verstrengeling
De wetenschappers maken gebruik van een bijzonder fenomeen: verstrengeling. Dit is wellicht het meest intrigerende gevolg van de wetten van de quantummechanica volgens prof. Ronald Hanson. “Als twee deeltjes verstrengeld zijn, smelten hun identiteiten samen: hun gezamenlijke toestand is exact bepaald, maar de identiteit van elk afzonderlijk deeltje is verdwenen. De verstrengelde deeltjes gedragen zich als één, ook als ze ver van elkaar verwijderd zijn. In ons geval was dat drie meter, maar dat zou in theorie ook de andere kant van het universum kunnen zijn. Einstein geloofde deze voorspelling niet en noemde dit ‘spooky action at a distance’, maar talloze experimenten hebben laten zien dat de verstrengeling echt is.”
Later herhaalden de onderzoekers het experiment met een afstand van 1,3 kilometer tussen de quantumbits, die zijn vervaardigd met behulp van elektronen in diamant. Dit experiment zou het eerste ter wereld worden dat voldoet aan de criteria van de loophole-free Bell test: het ultieme bewijs van Einsteins ongelijk over verstrengeling. Deze test geldt binnen de quantummechanica als Heilige Graal.
Ongekende mogelijkheden
Een quantum-computer maakt gebruik van dit quantumeffect van verstrengeling. Een quantumdeeltje kan worden gebruikt voor binaire eenheden die tegelijkertijd waarden tussen 0 en 1 bit aannemen. In de gebruikelijke processors kunnen de binaire eenheden alleen de waarde 0 of 1 aannemen. In de quantum-binaire eenheden (qubits) van de quantumprocessor zijn waarden mogelijk die bijvoorbeeld 30 procent 0 en tegelijk 70 procent 1 zijn. Waar een klassieke computer 64 bits nodig heeft om 264 waardes uit te drukken, heeft een quantumcomputer hiervoor over het algemeen slechts 5 qubits nodig. Gerelateerd aan dit verschijnsel is de enorme snelheid waarmee een quantumprocessor berekeningen kan uitvoeren, die met conventionele computers onmogelijk zijn. Wanneer men erin slaagt een goed werkende quantumcomputer te maken, betekent dat ongekende nieuwe mogelijkheden in de wetenschap en de technologie. De TU Delft is met haar afdeling QuTech Center sinds 2013 bezig om een werkend prototype te ontwikkelen van zo’n quantumcomputer. Daarvoor heeft QuTech zes jaar de tijd gekregen. Maar misschien valt er, twee jaar onderweg, al nieuws te melden.
Anouschka Versleijen
Anouschka Versleijen (1971) publiceerde veel over wetenschapsfinanciering, ondermeer bij Rathenau Instituut en deed praktijkervaring op als technisch-wetenschappelijk attaché van Economische Zaken in Silicon Valley. Eerder was ze binnen TU Delft betrokken bij de ontwikkeling van een toilet dat zonder water en elektriciteit werkt, met geld van de Bill & Melinda Gates Foundation.
Een quantumcomputer in Delft, wat enerverend!
“Dit is eigenlijk onderzoek 2.0,” matigt Anouschka Versleijen de toon. “Het onderscheid tussen fundamenteel en toegepast onderzoek is een fijn theoretisch concept, maar zo werkt het niet in de praktijk. We wilden niet eerst tien, vijftien jaar wachten tot er majeure stappen in fundamenteel onderzoek waren gezet alvorens toepassingen te gaan bedenken. We moeten nu ook al concrete technologieontwikkeling gaan doen, en denken over zaken zoals schaalbaarheid, fabricagemak.”
QuTech begon met een budget van 10 miljoen, het groeit naar 15 miljoen. Wie betalen er?
“Een consortium van NWO, STW en FOM plus Economische Zaken, topsector high-tech systems en materialen en niet te vergeten TNO en TU Delft zelf. En Europees geld, bedrijfsinvesteringen. Over de mogelijkheden voor groei ben ik optimistisch gestemd, met een stijgende lijn na de startfase. Het gaat ook niet om enorme bedragen.”
Wat voor club is het?
“We zijn nu bezig met ruwweg honderd onderzoekers die stap voor stap vooruitgang boeken. Dat zijn voor een groot deel mensen uit het opgebouwde netwerk van de TU Delft en TNO, rond een kerngroep van hoogleraren uit de natuurkunde, elektrotechniek en informatica met promovendi en andere jonge onderzoekers. TNO levert onderzoekers met fabricage-ervaring in de halfgeleiderindustrie en analysecapaciteit. Dat zijn zo’n tien mensen dagelijks en op projectbasis nog zo’n vijftien tot twintig.”
Hoe anders werkt dit?
“In de wetenschap is men gewend om zeg maar tien chips te ontwikkelen, waarvan er dan één geschikt is voor gebruik. Er is dus veel verlies in de ontwikkeling. Dat neem je voor lief. Wanneer je echt toewerkt naar een toepassing, dan wil je dat 99 procent van wat je maakt goed is. Dat vereist een andere denkwijze en benadering in keuze van materialen, ontwerpmethoden en fabricagetechnieken. Wij denken dat innovatie sneller gaat als je dat meteen onderdeel maakt van je R&D.”
Wetenschappers zijn gewend om in vrijheid te werken met een factor toeval die succes kan brengen. Neemt de druk op presteren toe met een keurslijf dat dwingt tot succes?
“Nee, nee, dit is een keuze van de wetenschappers zelf. Anders zouden we dat niet doen. Het is wel een gedurfde stap, maar toch weloverwogen met een flinke periode van afwegingen. Als dit wordt ervaren als een keurslijf, dan doen we iets verkeerd. Het is wel een missiegedreven onderzoeksinstituut. We willen doelen bereiken, zoals het kunnen neerzetten van een prototype quantumchip en -computer. Het is om die reden ook een multidisciplinair instituut.”
Met een strakke planning?
“Het is niet zo dat we over zes jaar met een persbericht en klaroengeschal moeten komen waarin dit wordt aangekondigd. We zetten steeds stapjes om hobbels te nemen, met onderwerpen met een eigen roadmap. De eerste jaren zijn wat scherper uitgewerkt en de jaren erna in houtskool geschetst. Het is een vooruitgezet pad, maar daarnaast hopen we op grote nieuwe ontdekkingen. Die kun je niet altijd plannen.”
Welke ontdekkingen?
“Er zit een aantal leuke uitdagingen in het controleren van de fysieke qubits. Kleine aantallen qubits vervaardigen lukt goed en er zijn wereldwijd veel onderzoeksgroepen die dat kunnen. Maar we willen naar grotere aantallen en dat is een leuke fabricage-uitdaging. Ook het uitlezen van een qubit is een uitdaging, omdat als je kijkt naar een verstrengelde quantummechanische toestand, deze direct verdwijnen. Je hebt dus trucs nodig om via een omweg, door te kijken naar de buren, de activiteit en inhoud van een qubit af te lezen. Je moet qubits operaties kunnen laten uitvoeren, een voortdurende stroom rekenwerk laten doen. Dit zijn enorme wetenschappelijke uitdagingen, zowel fundamenteel als qua bouw van technologie.”
Aan welke tijdspanne moeten we wel denken?
“Het komt gefaseerd op de markt. Nu al zijn er quantum key distributiesystemen voor beveiliging van communicatie met een quantumbit als encryptiesleutel. In Europa maken start-ups die systemen. Een andere snel vorderende technologie vormen de sensoren gebaseerd op qubit om magnetische velden te detecteren. Die kun je medisch of in de ruimtevaart inzetten. Die markt opent zich nu. Het volgende zijn de hele kleine prototypes van quantumchips voor het oplossen van chemievraagstukken wat met de huidige computers niet lukt. Dit zal tussen de zeven en tien jaar vergen.”
Dat is nog niet dé quantumcomputer?
“Nee, dat is een one trick pony, gericht op een specifiek probleem. Dat is wellicht al een geweldige doorbraak. Maar voordat we een quantumchip hebben die niet hardware geprogrammeerd is voor één type probleem, zijn we vijftien tot twintig jaar verder.”
Dat maken we nog mee?
“Dat is het hele leuke. Kort geleden nog dachten we aan de verre toekomst, maar die is nu binnen bereik van de huidige generatie onderzoekers. Vooral doorbraken in foutcorrectie hebben daaraan bijgedragen, waardoor de wetenschappelijk wereld de horizon naar zich toe haalt. Dat heeft een geweldige stimulans gegevens aan het vakgebied.”
Wat is het leukste aan uw werk?
“Een hele inspirerende omgeving met enthousiaste mensen met een enorme ambitie, inzet en energie, samen op weg naar die stip op de horizon: het prototype van de generieke quantumcomputer.”
Is er urgentie, of zelfs haast?
“Er is wel urgentie gezien de vraag en de competitie. Maar je kunt het geen haast noemen. Een paar terreinen, zoals genoemde beveiliging met de tweede generatie, wordt echt heel enerverend. Op die deelterreinen probeer je de eerste te zijn, zoals wij de eerste waren met dat teleportatie-experiment. Maar geen haast om een weekend door te werken, omdat we anders een boot missen.”
Het is ook concurrentiegevoelig?
“Iedereen wil graag de eerste zijn met een nieuwe ontdekking. Er is zeker sprake van een gezonde competitie. Dit veld zit enerzijds echt in een vroeg ontwikkelingsstadium en veel kennis wordt gedeeld, maar we staan wel op een doorbraak- of keerpunt. Europa is echt heel erg goed in quantumonderzoek, dankzij vroege investeringen door landen en Brussel. Dat heeft geleid tot een bloeiende community op hoog niveau. De VS zijn niet alleen goed in wetenschap maar ook sterk in het koppelen aan snelheid in innovatie. We moeten dus in Europa tot een gezamenlijke inspanning komen om vanuit wetenschappelijke kracht in innovatie in technologie sterker te worden.”
Hoe en met welke landen?
“Er zijn quantum virtuele instituten met bijvoorbeeld Tomasso Calarco van de universiteit van Ulm, die enorm gedreven is in het bijeenbrengen van een Europese community. Max Planck en nog een paar Duitse universiteiten zoals RWTH Aachen. Engeland heeft net vier nieuwe instituten opgezet die hopelijk meedoen aan toekomstige Europese initiatieven, net als Imec en Leuven in België, Franse en Italiaanse instituten. Er liggen serieuze kansen in Europa. Er moet één groot Europees onderzoeksprogramma komen dat al deze groepen bijeenbrengt in gezamenlijke onderzoekslijnen.”
Wat moet Brussel doen en welk prijskaartje hangt eraan?
“Wij hopen dat Brussel eerst de versnippering van beleidsterreinen voor quantumonderzoek bijeen brengen bijvoorbeeld bij het ICT- of researchdepartement. Mevrouw Kroes heeft de eerste aanzet gegeven, met contacten met de Franse Nobelprijswinnaar Serge Haroche en Tomasso.”
Station Q
Station Q is een lab van Microsoft Research, gevestigd op de campus van de Universiteit van Californië, in Santa Barbara. Het lab focust zich op topologische quantum computing. Er worden theoretische en experimentele benaderingen onderzocht tot de creatie van de quantum analogie van de traditionele bit: de qubit.
QuTech werkt nauw samen met Microsofts onderzoeksgroep Station Q? Wat krijgt u?
“We doen samen een programma voor fundamenteel onderzoek, ook ondersteund door de stichting FOM. Nee, dat voorstel is niet openbaar, gezien de concurrentiegevoeligheid, zoals doorgaans voorstellen inhoudelijk niet openbaar zijn. Onderzoek publiceer je achteraf, de ideeën niet. Bedragen maken we niet bekend. De uitkomsten straks wel. We zijn buitengewoon gelukkig met de erkenning van onze kwaliteit door Microsoft.”
Volgens Edward Snowden doet NSA voor Amerika aan Quantumcomputing gezien de enorme gevolgen. Heeft u met Microsoft ook een spion binnen?
“Ha, ha. Nee, dat denk ik niet. We hebben die Snowden-documenten ook met belangstelling gelezen. De VS hebben een aantal openbare projecten, zoals van Darpa (Defensie) en Iarpa (Homeland Security) en we werken in consortia ook samen met Amerikaanse universiteiten, gefinancierd door deze agentschappen. Ongetwijfeld zijn er ook geheime projecten, maar daar zijn we niet bij betrokken. Wij publiceren en presenteren alles in de academische wereld, dus spionage is niet nodig.”
Meer bedrijven?
“Graag. Ook MKB als Leiden Cryogenics die afkoelingsapparatuur maken voor de chips. Met FEI doen we materiaalanalyse. Elektronicabedrijven willen met ons samenwerken, bijvoorbeeld in coaxkabels. Nu we dat pad van technologie opgegaan zijn komen we steeds nieuwe uitdagingen en enthousiaste bedrijven tegen die willen samenwerken.”
Moet u ze als vliegen van u afslaan?
“Dat niet, al zou dat niet erg zijn. Bedrijven moeten wel een hele lange adem hebben, want er is niet binnen een paar jaar een concreet resultaat. Samenwerken in Europese onderzoeksprojecten krijgt nu vorm.”
De groten zoals Philips en ASML?
“Op dit moment niet.”
Wat baart u zorgen?
“Soms toch het bijblijven bij de rest van de wereld. Blijft Europa meedoen, met investeren op wetenschappelijk niveau? Gaan we slagen in een gemeenschappelijke inspanning?”
