Quantumtechnologie in ontwikkeling

Hoe werkt quantumtechnologie?

Quantummechanica gaat over deeltjes die kleiner zijn dan atomen. Die deeltjes hebben bijzondere eigenschappen die bij quantumtechnologie worden gebruikt voor technologische vernieuwingen. Van extreem snelle computers tot datacommunicatie op grote afstand.

De principes van quantumtechnologie

2 belangrijke principes voor het begrijpen van quantumtechnologie komen uit de quantummechanica. Het gaat om kleine deeltjes die bijzonder gedrag vertonen, dat we superpositie en verstrengeling noemen.

Superpositie

Een quantumdeeltje kan zich in meerdere toestanden tegelijk bevinden, het kan bijvoorbeeld op meerdere plekken tegelijk zijn. Dit heet superpositie. Pas wanneer we een meting doen, leggen we de plek vast. Dat is dus anders dan bij bijvoorbeeld een munt, waarbij we weten dat óf kop óf munt boven ligt, maar niet een combinatie van beide die pas wordt bepaald wanneer we naar de munt kijken.

Verstrengeling

2 of meer quantumdeeltjes, zoals fotonen of elektronen, kunnen samen één systeem vormen. Deze deeltjes lijken verbonden door een onzichtbare band en dit heet verstrengeling. Als 2 deeltjes verstrengeld zijn, weet je door het meten van de toestand van het ene deeltje, direct meer over de toestand van het andere deeltje. Zelfs als zij zich op grote afstand van elkaar bevinden. Het lijkt alsof ze sneller dan het licht met elkaar communiceren en informatie uitwisselen.

De 2 principes van quantumtechnologie zijn ook goed te begrijpen aan de hand van het voorbeeld van Schrödingers kat.

Kat in superpositie

Dit is een witte kat, die zich in een superpositie bevindt van een toestand 'dood' en een toestand 'levend'. Het plusje ‘+’ geeft aan dat de toestand een superpositie is. De haken ‘[ … >’ zijn een notitie om aan te geven wat één toestand is. Zodra je naar de kat kijkt (dus: een meting uitvoert), neem je de kat óf dood, óf levend waar. Daarmee is de superpositie 'ingestort' en er blijft nog maar één van beide toestanden over.

Afzonderlijke superposities zonder verstrengeling

Dit zijn 2 katten: een witte en een zwarte. Allebei afzonderlijk bevinden ze zich in een superpositie van dood en levend. Als je de witte kat bekijkt en daarmee zijn toestand 'bepaalt', weet je daarmee nog niets over de toestand van de zwarte kat. Deze katten zijn niet verstrengeld.

Toepassingen van quantumtechnologie

Door het bijzondere gedrag van kleine quantumdeeltjes kan de technologie worden ingezet voor verschillende toepassingen. We leggen 4 toepassingen uit waar TNO aan werkt.

1. Quantumcomputer: complexe berekeningen oplossen

Een quantumcomputer rekent anders dan een klassieke computer. De klassieke computer rekent met bits, dat zijn eenheden van digitale informatie die een waarde van 0 of 1 hebben. Bij een quantumcomputer kunnen de quantumbits, ook wel qubits, tegelijkertijd 0 én 1 zijn. Daardoor kunnen qubits zich collectief in een superpositie van alle mogelijke toestanden bevinden.

Qubits geven quantumcomputers een enorme verwerkingssnelheid. Dat komt doordat zij alle opties niet één voor één afgaan, maar allemaal tegelijkertijd kunnen toetsen. Bijvoorbeeld bij het oplossen van de route in een doolhof, zoals je kan zien in de video over quantumscomputers en quantuminternet. Quantumcomputers kunnen complexe problemen oplossen die voor klassieke computers vrijwel onoplosbaar zijn, omdat de berekening dan eeuwen zou duren.

Het maken van een quantumcomputer is complex, er is bijvoorbeeld een integraal systeemontwerp voor hardware en besturingssoftware nodig. We bouwen samen met TU Delft aan een prototype quantumcomputer, waarin wij onze ervaring met systeemontwerp voor EUV lithografie en salletietinstrumenten inzetten. Het quantumcomputerplatform Quantum Inspire (QI) geeft gebruikers toegang tot technologieën om quantumberekeningen uit te voeren.

2. Quantumsimulatie: complexe systemen simuleren

Een quantumsimulator is een quantumcomputer met één specifieke toepassing (‘special purpose quantumcomputer’). Zo’n simulator maakt het mogelijk om problemen op te lossen uit de vastestoffysica, quantumchemie, materiaalkunde en hoge-energiefysica. Door de quantummechanische interacties tussen atomen, elektronen en fotonen, kan een quantumsimulator andere complexe systemen nabootsen. Wij werken samen met partners aan dit soort simulators. In TNO ‘cleanrooms’ worden de hoogwaardige 'nano-devices' gefabriceerd en geoptimaliseerd, die hiervoor nodig zijn.

3. Quantumcommunicatie: veilige dataverbindingen

In quantumcommunicatie speelt verstrengeling een belangrijke rol. Door verstrengeling van qubits kan de toestand van verstrengelde deeltjes, ook over grote afstand, overeenkomen. Bovendien kunnen qubits niet met behoud van superpositie worden gekopieerd. Elke poging om qubits te onderscheppen wordt dus gedetecteerd. Daarom is quantumcommunicatie in potentie extreem veilig.

Wij modeleren, simuleren en integreren quantumnetwerken en we onderzoeken de verschillende toepassingsmogelijkheden van quantumcommunicatie. Ook zijn we betrokken bij het ontwerpen en fabriceren van geavanceerde optische systemen in toekomstige quantumnetwerken, zoals quantumgeheugen en frequentie-converters. En we onderzoeken de mogelijkheden van quantumcommunicatie met en tussen satellieten, samen met partners uit de ruimtevaartindustrie.

4. Quantumsensing: hoogwaardig meten

Quantumsensoren kunnen veranderingen in temperatuur, straling, versnelling, tijd en elektrische of magnetische velden waarnemen. Dat komt omdat ze gevoeliger zijn en een hogere resolutie hebben dan klassieke sensoren. Dit maakt bijvoorbeeld het doormeten van extreem kleine structuren, zoals DNA, mogelijk. De eerste systemen met quantumsensoren zijn inmiddels verkrijgbaar. En op langere termijn zal dit leiden tot betere navigatiesystemen, radarsystemen en medische detectietechnieken. We onderzoeken daarnaast de mogelijkheden voor de hightech machinebouw en halfgeleiderindustrie, waar metrologie een grote uitdaging is.

Meer over quantumtechnologie

Diverse expertisegroepen binnen TNO dragen bij aan de quantumontwikkelingen:

• De Quantumtechnologiegroep richt zich op het ontwerp en de fabricage van quantumapparaten en -systemen die daar gebruik van maken.
• De Toegepaste cryptografie & quantumalgoritmen groep focust op algoritme-ontwikkelingen voor quantumcomputing en quantumcommunicatie.
• De Radartechnologiegroep zet quantumsensing in voor defensietoepassingen.