Internetten met qubits

Quantumtechnologie is booming business. Vorig jaar werd er wereldwijd 2,35 miljard in startende quantumbedrijven gestoken. Een van de doelen: het bouwen van het quantuminternet, een netwerk van quantumcomputers. “Toen vijftig jaar geleden de eerste internetlink tussen twee computers werd gelegd, had niemand door hoe groots de gevolgen zouden zijn van het verbinden van iedereen wereldwijd met elkaar. Ik denk dat het quantuminternet net zo’n grote ontwikkeling zal zijn”, zegt Gustavo Castro do Amaral.

Castro do Amaral neemt me mee naar zijn lab bij onderzoeksinstituut TNO, een van de plekken waar druk wordt gesleuteld aan het quantuminternet. Ik moet toegeven dat mijn verwachtingen toch wel beïnvloed zijn door science fiction: er moet in elk geval blauw licht zijn, iets met robots, alles glad en wit en steriel. Castro do Amaral waarschuwt terwijl we door de lange moderne gangen lopen bij TNO: “Ik ga je teleurstellen, het is erg geel en donker en grijs. Maar er ligt een aantal leuke dingen op tafel.” Foto’s maken van wat daar dan precies is te zien, is strikt verboden – allemaal bedrijfsgeheim. Maar Castro do Amaral belt even met de veiligheidsofficier, en die belooft na afloop wel wat foto’s voor NEMO Kennislink te maken.

Omschakelpunt

Waarom wordt er zo hard gewerkt aan het quantuminternet? Voor die vraag kom ik terecht bij Sophie Hermans. Ze deed haar promotieonderzoek aan de TU Delft, waar ze in 2021 een belangrijke bijdrage leverde aan het eerste werkende quantumnetwerk, het allereerste voorzichtige quantuminternet. “Dat was wel een mijlpaal”, zegt ze trots.

Wordt deze mijlpaal op het gebied van quantuminternet over vijftig jaar beschreven net als die eerste klassieke internetverbinding? “Ik denk dat we daar toch een beetje bescheiden over moeten zijn", zegt ze. "Het was de eerste keer dat het lukte, maar dat was in een labsetting. Maar de paper hierover wordt heel vaak geciteerd en in vakliteratuur wordt het wel echt een omschakelpunt genoemd."

Problemen uit de samenleving

Na een aantal gangen en deuren met pasjes komen we aan bij het lab waar Castro do Amaral de scepter zwaait: het QUTE-lab (QUantum Testing and Evaluation). Het oogt minder futuristisch dan ik verwachtte, maar gezien het aantal kabels, half uitgepakte dozen en apparatuur wordt er duidelijk hard gewerkt. Zijn doel is: quantumcomputers met elkaar verbinden om zo de rekenkracht van de computers op te schalen. “Op zichzelf zijn de quantumcomputers niet zo sterk. We kunnen geen enkel probleem uit de samenleving echt oplossen op dit moment, zoals het vinden van de remedie tegen kanker, het simuleren van het universum of andere dingen. Maar stel je voor dat we een Europees quantuminternet hadden dat al deze quantumcomputers met elkaar verbindt, dan zouden ze kunnen werken als één enkele quantumcomputer, ordes van grootte krachtiger dan een losse. Dat is dus onze kernmotivatie om een quantuminternet te maken.”

Volgens Hermans is het aan elkaar verbinden van quantumcomputers een van de drie redenen waarom het quantuminternet zo belangrijk is. "De andere twee redenen zijn veilige communicatie en allerlei wetenschappelijke toepassingen", vult Hermans aan, die na haar promotie verder aan het quantuminternet werkt bij het prestigieuze instituut Caltech in de Verenigde Staten.

Enorme koelkast

Klassieke computers gebruiken bits, nullen of enen. In de quantumwereld gebruik je qubits. Een qubit is niet óf 0 óf 1, maar het kan beide zijn, en alles ertussenin. Dit heet superpositie. Hiermee kunnen quantumcomputers informatie heel anders verwerken dan normale computers doen. En kunnen ze in theorie problemen oplossen waar de grootste supercomputer jaren voor zou moeten rekenen of die zelfs niet zou kunnen oplossen. Het record van het meeste aantal qubits ligt nu in handen van IBM met 433 stuks.

“Daarvoor heb je nu al een enorme koelkast nodig met verschillende kabels die alles met elkaar verbinden”, legt Castro do Amaral uit. “Als je dat wil opschalen, heb je meer koelvermogen nodig, heb je meer kabels nodig, heb je meer energie nodig, en heb je meer mensen nodig. En de huidige schatting is dat om een quantumcomputer te runnen die maatschappelijke problemen kan oplossen, we miljoenen of miljarden qubits  nodig hebben. Dus voor het opschalen van een enkele quantumcomputer tot die limiet zijn nog een aantal doorbraken nodig – een paar Nobelprijzen om de technische problemen die ermee gepaard gaan te begrijpen. Voor het zover is zijn we wel minstens twintig jaar verder, verwacht ik.”

Maar goed, dan vinden we ook wel dé oplossingen van alle grote wereldproblemen. Allemaal dankzij het quantuminternet. Een mooie droom voor de verre toekomst.

Versleutelen

Wat veel sneller kan en nu zelfs al voorzichtig gebeurt: via het quantuminternet een sleutel genereren, quantum key distribution, zodat je zeker weet dat je berichten niet afgeluisterd kunnen worden. “Ons gesprek nu is ook versleuteld”, zegt Hermans, die ik via internet spreek. “De informatie die van ons nu over het internet gaat, is ook niet zomaar toegankelijk voor iedereen, gelukkig.” Maar met versleutelde quantumberichten weet je zeker dat een ander niet kan meeluisteren.

Dat zit als volgt: je genereert een sleutel door herhaaldelijk verstrengelde verbindingen op te zetten. Sommige van die verstrengelde paren gebruik je voor de sleutel, andere voor de veiligheidstest. Halen de paren de test, dan heb je fundamenteel aangetoond dat er niemand heeft meegeluisterd en dat de sleutel volledig privé is voor de verzender en de ontvanger. "Zo communiceer je veilig en zou je op den duur verkiezingen kunnen houden via het quantuminternet. Je kan laten zien dat iedereen zich één keer kan identificeren als kiezer, en dat je dus je stem uit kan brengen, maar dan nog steeds volledig anoniem.”

Het is interessant voor partijen waar veiligheid uiterst belangrijk is, zoals banken en overheden. En in die hoek vinden ook de eerste praktijktests plaats. Castro do Amaral : "Er zijn zelfs bedrijven die deze service al aanbieden, bijvoorbeeld de Nederlandse startup Q-bird.”

Telescopen

Belangrijk om te melden: alleen de sleutel gaat via het quantuminternet, het verdere bericht loopt via klassiek internet. Hermans: “De snelheid van de verbinding tussen punt A en B in ons netwerk was ongeveer tien verstrengelde paren per seconde, dus tien bits per seconde. In het netwerk zetten we een verbinding op tussen A en C, met behulp van B. Het lukte dan ongeveer een keer per minuut om de verbinding tussen A en C te maken. Het gesprek dat wij nu hebben gaat via gewoon internet, ongeveer 800 miljoen keer sneller.”

Naast veilige communicatie en het creëren van één mega-gekoppelde quantumcomputer, zijn er tal van wetenschappelijke toepassingen denkbaar. “Bijvoorbeeld een netwerk van telescopen over de hele wereld die je met een quantumverbinding aan elkaar koppelt. Dan kun je met veel hogere resolutie signalen uit het heelal opvangen”, legt Hermans uit. “Een telescoop is één voorbeeld, maar er zijn meerdere sensoren die gebruik kunnen maken van quantumeffecten, en die kun je meer precies laten werken met quantuminternet.”

Je hebt nu twee verstrengelde fotonen. Als je de ene meet, weet je automatisch de toestand van de ander. Hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn. Een van de fotonen wil je versturen en de ander bewaren. Doordat de meting de verstrengeling uiteindelijk verbreekt, kun je dus pas na aankomst van het foton bij de ontvanger de meting uitvoeren. Het bewaren is nog een hele uitdaging.

Maar dat is niet waar het onderzoek van Castro do Amaral zich nu op richt. Hij wijst op de stapels kabel die overal liggen. “Optische vezels zijn geweldig. Zij hebben laag verlies voor korte afstanden, als je op 1 m zit, is het verlies vrijwel nul. Het probleem is dat de verliezen in de vezels dramatisch toenemen. Op 100 kilometer verlies je 999 van de 1000 fotonen. Een groot probleem voor het versturen van informatie via het quantuminternet.”

Via de ruimte

De oplossing? Quantuminternet via de ruimte! De lichtdeeltjes kunnen zich ongehinderd bewegen. Castro do Amaral berekende dat het zelfs met de weersomstandigheden in Nederland – bewolking, regen, – nog voordeliger kan zijn om de verbinding via de ruimte te maken. “Op een afstand van 500 kilometer is het beter om via de ruimte te gaan dan via de kabel."

Hoe ver is Castro do Amaral met zijn idee om quantuminternet via de ruimte te verspreiden? “We zijn heel blij, want we hebben het Europese project LAIQA toegewezen gekregen. Plan is om verstrengelde fotonen te maken, een op te slaan in het geheugen, de ander te versturen en te meten hoe goed de verstrengeling bewaard is. We hebben de deeltjes al over een afstand van 150 meter verstuurd, naar de TU Delft. Echt heel cool dat het werkte! Nu moeten we zorgen dat de technologie echt gebruikt kan worden in de ruimte: overbodige dingen weghalen, het kleiner maken, zo compact en efficiënt mogelijk zodat het mee kan op een satelliet.”

Fundamenteel anders

Ondertussen werkt Hermans aan een ander probleem. “Met de diamantjes die we in Delft gebruikten om lichtdeeltjes te produceren, konden we er maar weinig maken. Dat was een van de redenen dat de snelheid maar 10 bit per seconde was. Rondom de kristallen die ik nu gebruik, frees ik een soort structuur, waardoor meer deeltjes uitgezonden worden én we efficiënter lichtdeeltjes kunnen opvangen.” Zo zou sneller quantuminternet mogelijk moeten worden. “Maar veel van de apparatuur is hetzelfde; we gebruiken ook een koelkast om onze chips in af te koelen, maar deze kan iets kouder, en we gebruiken lasers, maar deze hebben een andere kleur. Het werk zelf is grotendeels vergelijkbaar.”

Dat er wereldwijd zo hard gewerkt wordt en zoveel geïnvesteerd in  quantumonderzoek, vindt Hermans wel te begrijpen. “Deels is het wel fear of missing out, dat een ander voorloopt en je de boot mist. Maar er zijn ook zulke veelbelovende toepassingen! Dit is echt een nieuwe technologische stap. Net als dat het internet vernieuwing bracht, kan dit ook echt vernieuwing brengen. Het is fundamenteel anders. In de toekomst zullen er alleen maar meer mensen nodig zijn die hier verstand van hebben en die hiermee overweg kunnen, dus dat is denk ik ook een van de redenen dat er flink wordt geïnvesteerd: hoe kunnen we de arbeidsgroep voor de toekomst opleiden?Het kan veel werkgelegenheid scheppen.”