Quantumzekerheid: de QuTech-belofte ingelost
Dit najaar bereikt QuTech een belangrijke mijlpaal. 'Dan bereiken we het punt dat het QuTech-personeel wordt ingehaald door het aantal mensen dat in Delft bij quantum-starups werkt', vertelt Lieven Vandersypen, wetenschappelijk directeur van de samenwerking tussen de Technische Universiteit Delft en TNO. Met andere woorden: QuTech wordt ingehaald door haar kinderen. 'We zitten nu op 300 medewerkers en we blijven groeien', zegt Vandersypen, 'maar onze start-ups groeien sneller'.
Door Bruno van Wayenburg • 23 december 2023
© Anne Reitsma
Het begon allemaal als theoretisch concept: gebruik een aantal complexe eigenschappen van quantummechanica, de natuurkunde van ultrakleine deeltjes, om bepaalde berekeningen uit te voeren. Hiermee zou je ook informatie op een fundamenteel niet-afluisterbare manier kunnen overdragen. Waar de computers die we in ons dagelijkse leven gebruiken bits gebruiken, informatie-eenheden die 1 of 0 kunnen zijn, gebruiken quantumcomputers quantumbits, die elke combinatie van 1 en 0 kunnen zijn. Zo'n quantumbit of 'qubit' kan bestaan uit een enkel elementair deeltje, dat volgens de quantummechanica in een gecombineerde toestand kan bestaan, een zogenaamde superpositie.
Geïnspireerd door deze mogelijkheid begonnen natuurkundigen te zoeken naar verschillende qubit-kandidaten: natuurkundige systemen die zo'n quantummechanische toestand kunnen behouden en manipuleren, ondanks dat die toestand over het algemeen extreem kwetsbaar is (zie hieronder: de onbesliste qubit-race).
-
Het is een van de meest verbazingwekkende en tegenintuïtieve gevolgen van de quantummechanica: deeltjes zoals elektronen en fotonen kunnen in een combinatie van verschillende toestanden tegelijk bestaan, een zogenaamde superpositie. Deze eigenschap is essentieel voor de quantumtechnologie, maar is ook erg kwetsbaar: zelfs de kleinste verstoringen van buitenaf kunnen de superpositie vernietigen (decoherentie).
Om de superpositie zo goed mogelijk te beschermen, hebben natuurkundigen verschillende qubit-kandidaten ontwikkeld. Dit zijn fysische systemen die superposities langere tijd in stand houden (meestal fracties van seconden), terwijl ze ook manieren bieden om ze te controleren en te koppelen aan andere qubits: nog een voorwaarde voor quantumtechnologie. Al deze kandidaten werken alleen bij extreem lage temperaturen van ongeveer -273 graden Celsius.- Bij halfgeleider-qubits, ook wel spin-qubits genoemd, wordt gebruikgemaakt van één elektron dat opgesloten zit in een quantumdot: een minuscuul eiland van halfgeleidend materiaal, omringd door een isolerend materiaal. Als de quantumdot wordt afgekoeld tot -273 graden Celsius kan deze een elektron vasthouden, dat de drager is van de superpositie. De productietechnologie van halfgeleiders, ook bekend van gewone computerchips, leent zich goed voor miniaturisatie en massaproductie.
- NV-centrum (nitrogen-vacancy) Een diamant bestaat uit een rooster van koolstofatomen, maar op sommige plekken in het rooster zit een stikstofatoom. Dit stikstofatoom kan een extra elektron vasthouden, wat resulteert in een superpositie die relatief ongevoelig is voor storingen van buitenaf. Het NV-centrum kan worden uitgelezen en gemanipuleerd met laserlicht.
- Supergeleidende qubits Deze qubit, ook wel bekend als transmon, is gemaakt van supergeleidend materiaal: een materiaal dat elektriciteit zonder enige weerstand geleidt bij lage temperaturen van rond de -273 graden Celsius. Twee stukjes van dit supergeleidende materiaal, in een isolator, bevatten samen een kleine lading die de qubit codeert.
En er zijn nog veel meer kandidaten, vaak met intrigerende namen, van ion traps tot Majorana-quasideeltjes, Kitaev-ketens en fluxonium. Welke van deze kandidaten uiteindelijk in de praktijk zullen worden gebruikt voor quantumtoepassingen is nog niet duidelijk.
- Bij halfgeleider-qubits, ook wel spin-qubits genoemd, wordt gebruikgemaakt van één elektron dat opgesloten zit in een quantumdot: een minuscuul eiland van halfgeleidend materiaal, omringd door een isolerend materiaal. Als de quantumdot wordt afgekoeld tot -273 graden Celsius kan deze een elektron vasthouden, dat de drager is van de superpositie. De productietechnologie van halfgeleiders, ook bekend van gewone computerchips, leent zich goed voor miniaturisatie en massaproductie.
Kees Eijkel, Director Business Development bij QuTech © QuTech
Lieven Vandersypen, Director Research bij QuTech © QuTech
De quantumrevolutie
Nadat theoretische wis- en natuurkundigen deze concepten verder onderzochten, vond begin jaren 2000 de quantumrevolutie plaats. Grote universiteiten en bedrijven zoals IBM, Google, Intel, Microsoft en Fujitsu begonnen aan quantumcomputers te werken, geïnteresseerd in toepassingen die alleen met deze technologie mogelijk waren. Twee toepassingen zijn met name belangrijk voor de toekomst van de quantumtechnologie. Eén daarvan is de beroemde quantumcomputer, een computer die bepaalde berekeningen onmetelijk veel sneller kan uitvoeren dan een normale computer ooit zou kunnen.
'Neem bijvoorbeeld berekeningen over de structuur van moleculen en materialen,' zegt Vandersypen, 'aangezien de atomen en elektronen die hun gedrag bepalen zich houden aan de regels van de quantummechanica. Je kunt je bijvoorbeeld voorstellen dat we batterijen kunnen ontwikkelen die zo krachtig zijn dat je je telefoon maar één keer per week hoeft op te laden, of elektrische auto's met een actieradius die groot genoeg is om in één keer naar Zuid-Frankrijk te rijden. Of denk aan efficiëntere chemische fabrieken, geneesmiddelen tegen ongeneeslijke ziektes en geoptimaliseerde kunstmest die gewassen beter laat groeien, maar minder belastend is voor het milieu.'
Nog een belangrijke quantumtechnologie is quantumcommunicatie: een soort veilige communicatie die niet kan worden afgeluisterd. Vandersypen: "Door de quantumeigenschappen van de verbindingen en knooppunten zal elke onderschepping merkbaar zijn.
QuTech
Omdat het onderzoek van TU Delft tot nog meer quantumdoorbraken leidde, werd in 2015 QuTech opgericht, met als doel om van Nederland een centrum van quantumtechnologie te maken. Ongeveer twee derde van het onderzoek van QuTech is gericht op quantumquantumcomputing, een derde richt zich op quantuminternet,' vertelt Vandersypen.
De breedte en reikwijdte van het onderzoek dat QuTech doet, maakt ons uniek, vertelt Kees Eijkel, Director of Business Development bij QuTech. 'We weten nog niet welke qubit-kandidaat uiteindelijk het handigst is voor de ontwikkeling van quantumtechnologie. Het zouden er zelfs meerdere kunnen zijn. Waar veel spelers kiezen voor een verticale aanpak: één type qubit, één type computer, zeggen wij: op elk niveau zijn er meerdere mogelijkheden. En wij blijven aan die mogelijkheden werken zolang ze nog een kans hebben om te winnen.'
'Naast het type qubit is er veel aandacht voor het aantal qubits,' zegt Lieven Vandersypen. De krantenkoppen schrijven met grote letters over quantumcomputers die uit steeds meer qubits bestaan. Zo kondigde IBM afgelopen mei een computer met 433 qubits aan. 'Maar er zijn nog veel meer factoren die een rol spelen,' zegt Vandersypen. 'Het is heel belangrijk hoe goed je je qubits onder controle kunt houden: de betrouwbaarheid'. De quantuminformatie die met qubits wordt opgeslagen, is erg kwetsbaar. Qubits moeten dus beschermd worden en precies op de juiste manier met andere qubits wisselwerken om quantumapplicaties te bouwen.
De derde factor is de connectiviteit: het aantal verbindingen dat elke qubit kan maken. Vandersypen: 'In een ideale wereld kan elke qubit met elke andere qubit praten. Maar in de praktijk blijkt vaak dat qubits alleen met hun directe buren praten.’
'Stel je batterijen voor die zo krachtig zijn dat je je telefoon maar één keer per week hoeft op te laden'
De binnenkant van een verdunningskoelkast ('fridge'), die wordt gebruikt om gevoelige qubits af te koelen tot hun werktemperatuur nabij het absolute nulpunt (-273 graden Celsius). © Marieke de Lorijn
Nog een kijkje naar de binnenkant van een verdunningskoelkast © Klapstuk
Unieke Delftse aanpak
Hoewel de wetenschappers van QuTech hard werken om deze aantallen te verhogen, gaat het hier alleen nog maar om de kern van een quantumquantumsysteem, dat uit nog veel meer onderdelen bestaat: van ultranauwkeurige elektronica om de qubits onder controle te houden en uit te lezen, tot kabels waarmee de quantuminformatie wordt verstuurd. En van betrouwbare fotondetectoren tot koelsystemen die de benodigde -273 graden Celsius kunnen leveren.
Ook hier is de aanpak van QuTech uniek. 'Bij QuTech richten we ons sterk op het volledige systeem, de full stack zoals wij zeggen,' aldus Vandersypen. Terwijl partijen zoals IBM en Google ervoor kiezen om deze full stack helemaal zelf te ontwikkelen, wil QuTech juist een ecosysteem opbouwen van onderzoeksgroepen en bedrijven die de afzonderlijke componenten ontwikkelen.
De quantumstart-up Q*bird werkt bijvoorbeeld aan de quantumsleuteldistributie: een essentieel aspect van veilige quantuminternetwerken. Een andere start-up, Quantware, bouwt quantumchips, Orange Quantum Systems ontwikkelt kalibratiesoftware voor quantumsystemen en de start-up Qphox werkt aan verbindingen die quantuminformatie optisch kunnen doorsturen. Een spin-out van de universiteit, Single Quantum, ontwikkelt supergeleidende apparaten met nanodraden die afzonderlijke fotonen of lichtdeeltjes heel nauwkeurig kunnen detecteren.
House of Quantum
Veel start-ups zijn gevestigd in het incubatiecentrum House of Quantum in Delft. 'Er wordt veel samengewerkt en gediscussieerd, en we werken samen aan ontwikkelingsprojecten om elkaars technologie te evenaren,' zegt Niels Bultink, CEO van Qblox, een scale-upbedrijf dat besturingselektronica voor quantumtechnologie ontwikkelt, bouwt en verkoopt.
‘Als promovendus heb ik in Delft experimenten gedaan voor foutcorrectie, een manier om verschillende qubits te combineren tot één betrouwbare qubit. Hier had ik speciale apparatuur voor nodig die door TNO werd ontwikkeld’, zegt Bultink. 'Halverwege het promotieproject realiseerden we ons: We kunnen hier een bedrijf van maken.'
Vijf jaar geleden was de elektronica om quantumchips aan te sturen behoorlijk ingewikkeld: 'We gebruikten veel standaard laboratoriumapparatuur: golfgeneratoren, oscilloscopen, en we werkten ieder afzonderlijkj aan ons besturingssysteem. Zo werkt universitair onderzoek nu eenmaal. Maar het kost tijd om dingen op te schalen. Het is duur en behoorlijk foutgevoelig.'
Dus ontwierp en bouwde Qblox speciale, schaalbare elektronica die al deze functies samenvoegt in één geminiaturiseerd, modulair systeem dat 20 qubits met een nauwkeurigheid van picosecondes kan aansturen. Hierdoor wordt alles veel schaalbaarder, en klaar voor grote quantumchips. 'Er werken intussen 85 mensen hier,' vertelt Bultink, 'en we hebben meer dan 100 bestellingen. Zelfs in onze beginjaren waren we al winstgevend. Ik denk dat we niet echt een start-up meer zijn, maar een scale-up.'
Een QuTech PhD student aan het werk in het quantum computing lab.
© Anne Reitsma
Vergulde koperen platen worden gebruikt om warmte te geleiden in de daaropvolgende koudere fasen van de koelkast, waarbij de koudste lagere fase de kwantumapparaten huisvest. © Pim Top
Kwantumeigenschappen van licht kunnen worden gecreëerd en gemanipuleerd met behulp van laserbronnen, lenzen en andere apparaten op een optische tafel. © Kaasfabriek
Onderzoeker Ivan Kulesh monteert een quantumchip, die moet worden gekoeld tot 0,3 graden boven het absolute nulpunt. © Kaasfabriek
Fujitsu
QuTech werkt ook samen met grote bedrijven als Intel, Microsoft en sinds kort ook met het Japanse Fujitsu. 'QuTech bouwt opties voor een schaalbaar quantumsysteem,' aldus Kees Eijkel. 'Een experiment dat werkt in een laboratorium is slechts de eerste stap. Je moet er tien, honderd, duizend bouwen, en ze moeten betrouwbaar en uiteindelijk ook kostenefficiënt zijn.'
Om de brug te slaan tussen fundamenteel onderzoek en de commerciële activiteiten van bedrijven gebruikt QuTech zogenoemde demonstratieprojecten: functionele 'full stack'-systemen om de quantumtechnologie te demonstreren. Eén van die demonstratieprojecten is Quantum Inspire, een online interface waarmee iedereen een echt quantumsysteem met vijf qubits – gevestigd in Delft – kan testen.
Een ander demonstratieproject is het stervormige quantuminternet dat de start-up Q*bird in de Rotterdamse haven heeft opgezet om de intrinsieke veiligheid van quantumcommunicatie aan te tonen.
-
Shintaro Sato, Head of Quantum Laboratory bij Fujitsu
Fujitsu is een van de grootste IT-dienstverleners ter wereld, met ruim 120 duizend werknemers en een nettowinst van ruim een miljard euro. ‘Wij werken aan computertechnologie sinds het tijdperk van de mainframe in de jaren zeventig’, zegt Shintaro Sato, hoofd van het Quantum Laboratorium van Fujitsu, dat een samenwerking is aangegaan met QuTech op het gebied van quantumcomputers.Ook nu nog levert het bedrijf High Performance Computing (HPC) systemen. ‘Maar Wet van Moore, die jarenlang succesvol een gestage stijging, vlakt af’, zegt Sato, ‘en we aan het kijken naar alternatieven.’
Daaronder vallen speciale chips voor bepaalde rekentaken zoals Artificial Intelligence, maar ook Digital Annealers en Ising Machines. Dat zijn computers gebaseerd op quantummechanische principes, die gespecialiseerd zijn in het oplossen van combinatorische optimalisatieproblemen, zoals het optimaliseren van de productieprocessen van automaker Toyota.
Aan volwaardige quantumcomputers werkt Fujitsu samen met het Japanse onderzoeksinstituut RIKEN, met als beoogde qubit-technologie supergeleidende qubits.De samenwerking met QuTech betreft onderzoek naar de NV Center-qubits, gebaseerd op losse stikstofatomen in een diamantkristal, een Delftse specialiteit. ‘We willen een schaalbaar systeem ontwikkelen, gebaseerd op standaard-tegels van 64 qubits. Die kun je dan combineren om grotere aantallen te krijgen’, zegt Sato, De Japanse specialisatie in het integreren en opschalen van elektronica vult hierin de Delftse kennis aan.
Een voordeel van de NV-Center-qubits is dat de werktemperatuur boven 1 Kelvin ligt (1 graad boven het absolute nulpunt van -273 graden Celsius). Deze ‘hete’ qubits vergen minder zware koelmaatregelen dan andere types die bij lagere temperaturen werken.
Ook aan de software, ofwel de protocollen om de qubits aan te sturen, zullen Fujitsu en QuTech samenwerken. In het verlengde daarvan, zegt Sato, ligt het ontwikkelen van toepassingen. ‘We hebben zo’n tien bedrijven in verschillende industrietakken, van makers van computerchips tot Fujifilm, die geïnteresseerd zijn en al werken aan toepassingen.’ Sato verwacht dat nuttige toepassingen van de eerste quantumcomputers eind jaren twintig hun opwachting zullen maken.
‘Uiteindelijk willen we de quantum-technologie ook inpassen in het computing-as-a-service-platform dat we net gelanceerd hebben’, zegt hij. Dat is een toegankelijk maar krachtig rekenplatform waarbij klanten zich niet druk hoeft te maken over de precieze rekentechnologie. ‘Nu bestaat die uit onze High Performance Computer, de Digital Annealer, en een quantum-computer-simulator. Daar komt de echte quantum-technologie dan gewoon bij.’
Samenwerking aanjagen
Onderzoek koppelen aan de praktijk is een essentieel onderdeel van QuTech. 'Wetenschappers hebben de natuurlijke neiging om zich te richten op hun onderzoek, terwijl bedrijven producten willen verkopen aan hun klanten. Wij fungeren als een soort hub, via ons kunnen ze samenwerken,' zegt Kees Eijkel, 'niet op projectbasis, maar permanent.'
Om dit mogelijk te maken, stimuleert QuTech een voortdurende dialoog tussen alle betrokkenen. 'Het is een constant over en weer,' zegt Eijkel. 'Bedrijven kunnen wetenschappers vragen om bepaalde dingen te onderzoeken, terwijl wetenschappers de bedrijven laten weten welke nuttige technologieën ze aan het onderzoeken zijn.'
Dit werkt al bijna tien jaar heel goed, waardoor quantumtechnologie steeds dichterbij een praktische, alledaagse toepassing komt. Maar je moet wel volhouden, zegt Eijkel. 'Zeg niet: oké, dat loopt prima. Laten we naar het volgende onderwerp gaan. Dan verwelkt het plantje waar je zo veel moeite in hebt gestoken.'
En dan gaat het niet alleen, of zelf voornamelijk, over de financiering, maar ook over andere vormen van betrokkenheid, benadrukt Eijkel. Onderzoekers en ontwikkelaars die werken aan een start-up zijn van harte welkom om zich in Delft te vestigen, en beleidsmakers zouden meer kunnen nadenken over wat quantum op de lange termijn voor de maatschappij kan betekenen. Overheden zouden wel eens belangrijke klanten kunnen worden, of er rekening mee houden in nieuwe wetgeving. Maar zelfs als ze dat niet doen, zullen beleidsmakers die betrokken en goed geïnformeerd zijn, betere beslissingen nemen.
© Ontwerpwerk
Maatschappij verder helpen
Die betrokkenheid, zegt Vandersypen, gaat twee kanten op. 'We doen dit niet voor onszelf. 'Wetenschap moet de maatschappij verder helpen met nieuwe toepassingen, maar we voelen ook de plicht om de maatschappij over die toepassingen te informeren. quantumtechnologie is een nieuwe technologie, en dat heeft altijd onverwachte gevolgen – soms goed, maar soms ook gevaarlijk. Hier willen wij onze verantwoordelijkheid nemen en deel uitmaken van de discussie.'
