In de Randstad ligt nu het fundament voor een quantuminternet: ‘De meest geavanceerde demonstraties tot nog toe’

is wetenschapsredacteur voor de Volkskrant. Hij schrijft over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart.

 

Een deel van de in Delft gebouwde optische infrastructuur om de quantumsignalen te maken.Beeld QuTech

 

De term ademt een ongrijpbare magie: ‘quantum’. Zet het ergens voor, en het klinkt vanzelf bijzonder. Neem bijvoorbeeld het quantuminternet dat natuurkundige Ronald Hanson en zijn collega’s van de TU Delft en TNO aanlegden in de Randstad, tussen Den Haag, Rijswijk en Delft. Dat klinkt mysterieus en bijzonder, maar onder de ongrijpbare uitstraling van het woord schuilt juist een heel concrete technologie.

En ja: zo’n quantumverbinding leggen is nu aantoonbaar gelukt, met gebruik van het glasvezelnetwerk van KPN dat al onder de grond ligt in de Randstad, zo beschrijven de onderzoekers deze week in vakblad Science Advances. Er is voor het toekomstige quantuminternet dus geen heel nieuw kabelstelsel nodig.

Wie wil begrijpen waarom je een quantuminternet zou willen, moet eerst een stapje terug, naar die andere quantumtechnologie: de quantumcomputer. In laboratoria en bij grote bedrijven als Google en IBM zijn daarvan de eerste rudimentaire varianten al te bewonderen. Ze zijn nog maar klein en kunnen nog weinig, maar gelden desondanks als eerste tastbare voorbeelden van wat op termijn een baanbrekende technologie moet worden.

 

Hoe werkt het quantuminternet

De belofte van de quantumcomputer komt voort uit het feit dat deze machines rekenen met de wetten van de quantumnatuurkunde, de theorie die de werking van de wereld beschrijft op het niveau van deeltjes, de kleinste bouwstenen van alles om ons heen. Uit die beschrijving doemt een contra-intuïtieve omgeving op waarin dingen onder meer op meerdere plekken tegelijk kunnen zijn, of tegenstrijdige eigenschappen kunnen hebben die elkaar in onze wereld zouden uitsluiten.

Zo kunnen qubits, de quantumtegenhangers van gewone bits, bijvoorbeeld niet alleen de waarde ‘0’ of ‘1’ hebben, maar ook ‘0’ en ‘1’ tegelijk. Het is een van de eigenschappen die quantumcomputers – voor sommige toepassingen – de reusachtige rekencapaciteiten geven die zelfs de allerbeste supercomputers tot slome duikelaars reduceren.

Althans: dat is het idee. De programma’s die straks op quantumcomputers moeten draaien zijn nog volop in ontwikkeling, maar de verwachtingen zijn spectaculair: van het ontwerpen van nieuwe medicijnen die perfect zijn afgestemd op een enkel individu, tot het ontwerpen van materialen die kunnen leiden tot een volgende energierevolutie.

 

Quantuminformatie is vluchtig

Alleen, lastig: zulke computers ‘passen’ niet op het reguliere internet. Sluit ze erop aan en ze verliezen pardoes hun speciale quantumkrachten. Dat komt doordat de informatie die over het gewone internet stroomt continu wordt uitgelezen en gekopieerd om de signaalsterkte op peil te houden. Quantuminformatie is vluchtig: lees het uit, en het verdampt. Wat eerst ‘0’ én ‘1’ was, is dan plots nog slechts ‘0’ óf ‘1’. En zeg dan maar doei tegen die quantumsuperrekenkracht.

Een ingenieur controleert of het systeem naar behoren functioneert via een elektrisch signaal op het scherm.Beeld QuTech

Vandaar dat quantumcomputers een geheel nieuw internet nodig hebben, dat gebruikmaakt van de mysterieuze quantumconnectie die fysici met een mooi woord ‘verstrengeling’ hebben gedoopt. Verstrengel twee qubits, en ze zijn op ongrijpbare wijze met elkaar verbonden. Doe iets met het ene verstrengelde qubit en het heeft direct invloed op de ander, zelfs als die bij wijze van spreken op Mars zou staan.

Omdat verstrengeling kapotgaat wanneer je een van beide qubits uitleest, is zo’n quantuminternetconnectie bovendien automatisch beschermd tegen hackers en andere luistervinken. Afluisteren sloopt simpelweg meteen de verbinding.

 

Wereldrecord op de campus

De afgelopen jaren werkte de groep van Hanson, net als zijn internationale concurrenten, gestaag toe naar het leggen van precies zo’n quantumnetwerk op grote schaal. Daartoe had zijn groep in 2015 al eens fysiek twee deeltjes over grote afstand verstrengeld, over de breedte van de hele universiteitscampus in Delft, zo’n 1,5 kilometer in totaal. Dat was destijds een wereldrecord, en een meting die en passant als allereerste bewees dat Albert Einstein decennia eerder ongelijk had toen hij twijfelde aan de spookachtige eigenschappen van verstrengelde quantumdeeltjes.

In 2021 volgde opnieuw een wereldprimeur met het eerste volwaardige quantumnetwerk ter wereld, een systeem dat drie punten met elkaar verbond en zo een werkend quantuminternet maakte – in het lab.

In de wereldwijde race naar een ‘quantuminternet op metropolische schaal’, zoals de stap die drie groepen onlangs zetten in vakkringen heet, was China – en, met een iets eenvoudiger opstelling ook de VS – ditmaal net iets eerder.

Zo gaat dat, wanneer teams vol experts wereldwijd toewerken naar een vergelijkbare technologische mijlpaal. Al ziet Hanson dat anders. ‘We werkten toe naar verschillende experimentele doelen, dus voor ons was dit geen race’, zegt hij.

 

Quantuminternet in de VS en China

In mei verschenen twee vakartikelen van onderzoekers uit China en de Verenigde Staten in hetzelfde nummer van vakblad Nature. De Chinese groep beschreef hoe ze een quantuminternet hadden aangelegd tussen drie knooppunten in de stad Hefei, terwijl onderzoekers van Harvard in datzelfde nummer lieten zien hoe ze twee knooppunten met elkaar hadden verbonden in hetzelfde gebouw op de eigen campus, maar wel via een parcours van 35 kilometer aan glasvezelkabels onder Cambridge en Boston.

De groep van Hanson zette in diezelfde maand een voorpublicatie online, over hun quantumnetwerk tussen Den Haag, Rijswijk en Delft. Na het verwerken van het commentaar van vakgenoten verscheen het artikel deze week in vakblad Science Advances.

 

‘Dit zijn de meest geavanceerde demonstraties tot nog toe van de technologie die nodig is voor een quantuminternet’, oordeelde fysicus Tracy Northup tegenover populairwetenschappelijk tijdschrift Scientific American over de drie experimenten. ‘Deze twee indrukwekkende studies verlaten het lab en bereiken nu de echte wereld. Het zijn niet zomaar speelgoedsystemen, ze zetten de eerste stap naar hoe een toekomstig netwerk er echt uit kan zien’, zei fysicus Benjamin Sussman van de Universiteit van Ottawa tegen website Science News over de artikelen van de Chinezen en Amerikanen.

Een whiteboard met aantekeningen van de Delftse onderzoekers.Beeld QuTech

Hoewel de resultaten alledrie sterk op elkaar lijken, zijn er wel verschillen in aanpak, zegt Hanson.

‘De Chinezen verstrengelen een soort quantumgeheugens, waarin je tijdelijk informatie kunt opslaan. De groep van Harvard en wijzelf verstrengelen wat in essentie al kleine quantumcomputers zijn. In de opstelling van Harvard zijn dat computertjes met twee qubits, onze studenten hebben hier al experimenten gedaan tot tien qubits’, zegt hij.

‘Onze opstellingen zijn in de toekomst daardoor wat gemakkelijker op te schalen. Zeker wanneer de quantumnetwerken groter worden, moet je op termijn ook informatieverwerking en foutcorrectie kunnen toepassen binnen het netwerk zelf. Daarvoor heb je een processor nodig, en dat kunnen de Chinezen niet met hun huidige systeem.’ De onderzoekers uit China waren voor dit verhaal niet bereikbaar voor commentaar.

Hoewel de opstelling van de Amerikanen meer lijkt op die van Hanson en collega’s, is het verschil de gekozen afstand tussen de twee knooppunten, die vlak naast elkaar staan op de universiteitscampus. ‘Daardoor konden ze wat handigheidjes gebruiken die niet meer mogelijk zijn wanneer de punten fysiek ver uit elkaar staan. Ze hebben daarom nog niet de problemen hoeven oplossen die de Chinezen en wij al wel hebben opgelost.’

 

Meer knooppunten verbinden

Zeker is dat geen van de drie opstellingen al een definitief quantuminternet biedt. Alle drie de groepen zetten met hun resultaten bovenal een tussenstap naar dat beloofde einddoel.

In tegenstelling tot de labopstelling waarmee Hanson een wereldprimeur boekte, legt zijn huidige opstelling bijvoorbeeld slechts de verbinding tussen twee punten. ‘We hebben nu twee knooppunten en een hulpstation dat we gebruiken om de verstrengeling tussen de andere twee punten te maken. Dat hulpstation ligt in Rijswijk en in principe zou je daarmee nog meer knooppunten kunnen verbinden.’

Ook de Chinezen zijn nog niet zo ver, zegt Hanson. ‘In hun onderzoek hebben ze wel drie knooppunten gemaakt, maar ze gebruiken er altijd maar twee tegelijk’, zegt hij. ‘Het middelpunt dient in hun opstelling als een soort switch: die beslist welke twee knooppunten met elkaar worden verbonden. Wil je een netwerk uit meer dan twee knooppunten opbouwen, dan moet je kunnen aantonen dat je tegelijk drie of vier van die punten met elkaar kunt verstrengelen’, zegt Hanson – precies zoals hij eerder al in het lab deed.

 

Op de schaal van een stad is dat een stuk moeilijker. Het zal de volgende tussenstap worden in de internationale race, verwacht Hanson. ‘Al weet ik natuurlijk niet welke kant de andere groepen precies op willen gaan. Het probleem dat je daarvoor moet oplossen is de verstrengeling langer vast te houden. Voordat je het volgende punt kunt verstrengelen, is de verstrengeling tussen de eerste twee punten op dit moment al verdwenen.’

Om die reden is de groep van Hanson nu naar nieuwe hardware aan het kijken voor hun knooppunten, hardware die in elk geval op papier onder meer de gewenste sprong in verstrengelingssnelheid moet kunnen leveren. ‘We hebben nu veertien jaar met de huidige systemen gewerkt, dus het is niet gek dat we nu op iets nieuws overstappen’, zegt hij.

Hanson verwacht er veel van. ‘Op termijn kunnen we niet meer één verstrengeling per seconde maken, zoals nu, maar honderdduizend, over 40 kilometer afstand. Als dat eenmaal loopt, worden de vervolgexperimenten steeds makkelijker. Maar die stap moeten we wel nog eerst even zetten.’

Optische fiber voor de aansturing van het quantuminternet.Beeld QuTech

Zelfs dan ben je er nog niet helemaal. Wie in de toekomst ook buiten de Randstad, of zelfs met het buitenland, een quantumverbinding wil maken, moet een manier verzinnen om onderweg het signaal te versterken. Het reguliere internet gebruikt daarvoor repeaters, die het signaal onderweg kopiëren en versterken. Maar juist dat kan met quantuminternet niet.

‘Om onze opstelling schaalbaar te maken over grotere afstanden, heb je quantumrepeaters nodig en dan kom je in een heel andere business. Daar zijn wij nu nog niet mee bezig’, zegt Hanson, al is dat op termijn zeker een doel.

 

Op de vrachtwagen laden

Achter het afronden van het nu gepubliceerde onderzoek zat de nodige tijdsdruk. Niet door de internationale concurrentie, maar vanwege een veel praktischer overweging. ‘We gebruikten voor het onderzoek een gebouw van KPN vlak bij Den Haag Centraal en dat gebouw ging men verkopen. We moesten eruit op 1 oktober, dus toen dachten we: we kunnen nog precies het experiment doen. Dat hebben we gehaald.’

Dat ze het gebouw uit moesten, betekent overigens niet dat Hanson voor de vervolgexperimenten weer helemaal vanaf nul moet beginnen. ‘We hebben dit experiment opgezet zodat het kan werken onafhankelijk van het precieze knooppunt. Dat was voor ons een belangrijk designdoel’, zegt hij.

 

De hele opstelling kun je op een vrachtwagen laden en naar een nieuwe locatie rijden. ‘Het is nog niet zo dat je het even oppakt en ergens inschuift, het gaat wel echt om een optische tafel met daarop de opstelling, maar je kunt het wel verhuizen. Samen met het opbouwen kost dat drie dagen.’

Het is typerend voor een technologie die zich in de tussenfase bevindt tussen fundamenteel universitair onderzoek en het bedrijfsleven. ‘Je ziet dat Harvard al hun werk bijvoorbeeld al in samenwerking doet met Amazon. Wij werkten tot nu toe in een universitaire omgeving, maar we zijn ook al bezig met de commerciële mogelijkheden. Daarvoor zetten we nu een nieuw bedrijf op, via jonge mensen, gewoon hier in Delft.’