Quantumtechnologie is nog altijd omgeven door een mysterieuze sfeer en fraaie beloftes voor de toekomst. Toch zijn er heel concrete toepassingen die nu al in de praktijk kunnen worden gebracht. In Nederland creëren overheid, kennisorganisaties en het bedrijfsleven samen een complete keten van technologisch ontwerp tot praktijktoepassing.
Quantumtechnologie is voor de meeste mensen nog een synoniem voor quantumcomputing. Dan komen al snel beelden op van een indrukwekkend apparaat met heel veel glimmende buisjes waarmee wetenschappers verwachten in de toekomst spectaculaire dingen te kunnen doen. Denk aan het ontwerpen van nieuwe materialen, het doorrekenen van uiterst complexe klimaatmodellen en antwoorden geven op optimalisatievraagstukken. De hardware bevindt zich echter nog in het stadium waarin onze huidige computertechnologie in de jaren vijftig van de vorige eeuw was. Praktijkgerichte toepassingen van quantumcomputers laten dus nog wel even op zich wachten.
Meer dan alleen quantumcomputers
Quantumtechnologie omvat echter veel meer dan alleen quantumcomputing. Een goed voorbeeld is quantumsensing dat enorme voordelen biedt ten opzichte van de huidige typen sensoren. Quantumsensoren hebben een extreme gevoeligheid en nauwkeurigheid, zijn heel gering in omvang, verbruiken weinig energie en kunnen heel goedkoop geproduceerd worden. De toepassingsgebieden zijn legio, van waterkwaliteitsmetingen tot het in kaart brengen van magnetische velden en van in-vitro detectie van vrije radicalen tot GPS-loze positiebepaling. “Als je er goed over nadenkt zijn er zoveel sensoren te bedenken en zoveel mogelijkheden om ze te verbeteren met quantumtechnologie”, vertelt Clara Osorio Tamayo. Zij werkt als natuurkundige bij TNO en leidt het programma Quantum Sensing Applications van Quantum Delta, de organisatie gericht op het versnellen van het Nederlandse quantumecosysteem.
Quantumtechnologie omvat veel meer dan alleen de quantumcomputer — denk aan sensoren, encryptie en optimalisatie.”
Osorio Tamayo vindt het belangrijk om de definitie scherp neer te zetten. “Een sensor zet een stimulus, zoals temperatuur, druk of een magnetisch veld om in een elektrisch signaal. Veel technologie maakt gebruik van sensoren. Actuatoren doen het omgekeerde van een sensor. Een quantumsensor is een sensor waarbij die omzetting wordt gedaan door een quantumsysteem, bijvoorbeeld een enkel atoom, dat quantumeigenschappen vertoont.” Denk daarbij aan de mogelijkheid om in een superpositie te blijven (coherentie) of verstrengeld te raken met andere deeltjes (entanglement). Veel van de voordelen van quantumsensoren zijn het gevolg van het feit dat de metingen aan die eigenschappen direct op het niveau van atomen gebeuren. “De interactie met de omgeving verandert de toestand van het systeem en die verandering is het meetsignaal.” Het uitlezen vindt in veel gevallen plaats met een laser en een lichtsensor op een chip, die heel klein kunnen zijn en dus weinig vermogen nodig hebben. Overigens geldt dat laatste niet voor alle quantumsensoren.
Snelle, kleine en efficiënte sensoren
Waterbedrijf Evides is van plan in 2026 een proefproject te doen met quantumsensoren. Het bedrijf wil ze inzetten voor een continue meting van de waterverontreiniging in de Maas, de belangrijkste waterbron voor Evides. Bij een incident sluit het bedrijf de inlaat van de spaarbekkens af zodat de piek in de verontreiniging voorbij stroomt. De analyses doet Evides nu nog met behulp van monsternames langs de loop van de rivier en laboratoriumonderzoek, wat meerdere dagen tot weken kan duren. Dat zijn altijd momentopnames en de doorlooptijden van de labanalyse kunnen te traag zijn voor de besluitvorming bij acute verontreinigingen. De quantumsensoren kunnen dankzij hun eigenschappen directe metingen in het water uitvoeren zonder voorbewerking. In combinatie met riviermodellen kan zo een realtime beeld van verontreinigingspieken worden gecreëerd. Ook zijn bijvoorbeeld nieuwe verontreinigingen makkelijker te detecteren zoals PFAS, micro- en nanoplastics. De sensoren voor de verschillende metingen zijn al beschikbaar, maar er wordt nog gewerkt aan de integratie tot één bruikbaar systeem.
Quantumsensoren maken extreem nauwkeurige metingen mogelijk, bijvoorbeeld voor waterkwaliteit en detectie van ondergrondse objecten.”
Ook bij Defensie is veel belangstelling voor quantumsensoren. Zo werkt Reinier Tan als senior wetenschappelijk medewerker bij TNO aan zeer gevoelige meetinstrumenten die heel kleine veranderingen in het aardmagnetisch veld kunnen detecteren. Daarmee kunnen mijnen, tunnels of onderzeeërs beter worden opgespoord. “Een hele hoop technologie die nu quantumsensing wordt genoemd, bestaat al sinds de jaren 60 of 70”, zegt hij ontnuchterend. “Neem magnetometers of atoomklokken, beide zijn bestaande toepassingen van quantumtechnologie.” Dit type sensoren maakt gebruik van een elektron in de buitenste schil van een alkali-atoom. De frequentie van de overgangen tussen energieniveaus van zo’n elektron is uiterst stabiel en gebaseerd op natuurconstanten. De overgang tussen die energieniveaus kan worden uitgelezen met een laser en geldt als een extreem nauwkeurige tijdstandaard. “Atoomklokken zijn een vitaal onderdeel om nauwkeurige satellietnavigatie, zoals GPS, mogelijk te maken.” GPS-satellieten sturen continu signalen uit met een tijdstempel. Positiebepaling met GPS werkt doordat GPS-ontvangers het tijdsverschil kunnen meten tussen de verzending en ontvangst van die signalen vanuit verschillende GPS-satellieten.
Navigeren zonder GPS
Maar wat als GPS niet beschikbaar is? Bijvoorbeeld omdat de signalen gestoord worden door de vijand? Ook dan kan quantumsensing helpen. Op quantumtechnologie gebaseerde gyroscopen en versnellingsmeters kunnen positiebepaling nog lange tijd actualiseren als het GPS-signaal wegvalt of onbetrouwbaar wordt. “De trend is dat bestaande quantumsensoren steeds kleiner worden. Supergevoelige magnetometers zijn tegenwoordig niet veel groter dan een pen. Chipscale atomic clocks zijn atoomklokken met dezelfde precisie als die grote atoomklokken, maar dan op een chip zodat ze gemakkelijk toepasbaar zijn in mobiele systemen”, legt Tan uit.
Bedrijven zoals Evides en Defensie starten al met pilots en toepassingen van quantumsensing in de praktijk.”
De reden dat er veel minder aandacht is voor de ontwikkeling van quantumsensoren ligt volgens Tan aan de geleidelijke ontwikkeling. “Bij quantumcomputing is er een tijdperk vóór en een tijdperk na de komst van de quantumcomputer. Tenminste zo wordt het vaak voorgesteld. Bij quantumsensing gaat het langzamer en de ontwikkeling is breder, ook omdat er zoveel verschillende sensoren zijn. Het is meer een evolutie dan een revolutie.”
Optimaliseren met quantum annealing
Een ander toepassingsgebied van quantumtechnologie is quantum annealing, een technologie gespecialiseerd voor optimalisatieprocessen. De systemen van het Canadese D-Wave zijn al in gebruik bij een groot aantal organisaties zoals NASA, het Japanse farmaceutische bedrijf Japan Tobacco en het Duitse Forschungszentrum Jülich. Quantum annealing bouwt voort op de klassieke simulated annealing, een manier van kansberekening waarbij op basis van simulaties het beste lokale optimum wordt gezocht in een complex probleem waarbij verschillende lokale optima worden gescheiden door barrières. Bij quantum annealing wordt gebruik gemaakt van een quantummechanische eigenschap die als het ware een tunnel creëert door de barrière in plaats van eroverheen te gaan zoals in de klassieke annealing. Daardoor kunnen veel sneller en soms beter verschillende optimale posities met elkaar vergeleken worden. Frank Phillipson, senior scientist bij TNO en hoogleraar computational operations research aan Maastricht University, onderzoekt bijvoorbeeld of banken met quantum annealing hun portfolio voor leningen kunnen verbeteren. Daarbij wordt gezocht naar de beste mix van rendement, risico en CO2-voetafdruk. “Je kunt ze niet alle drie tegelijk optimaliseren, maar je kunt wel zoeken naar een oplossing waarbij er geen andere is die op alle drie de vlakken beter is.” Naast het Canadese D-Wave biedt ook het Spaanse Qilimanjaro nu al cloudgebaseerde diensten op dit type quantumcomputer.
Quantumtechnologie maakt dataverkeer veiliger
Het quantuminternet is ook een toepassing van quantumtechnologie. Die aanpak biedt mogelijk al binnen een paar jaar een veel veiliger kanaal voor vertrouwelijke datacommunicatie. Het quantuminternet bouwt voort op een toepassing om veilig encryptiesleutels uit te wisselen, ook wel Quantum Key Distribution (QKD) genoemd. QKD is nu al mogelijk. De encryptiesleutel om data veilig te versturen, wordt gecodeerd in de toestand waarin quantumdeeltjes zich bevinden. Bij QKD gaat het doorgaans om de polarisatietoestand van fotonen die door een glasvezel worden verstuurd. Doordat bij een meting de quantumtoestand verandert, kan de code onderweg nooit ongemerkt worden afgelezen of gekopieerd.
Verschillende bedrijven zoals het Nederlandse QBird, het Italiaanse ThinkQuantum en het Spaanse LuxQuanta leveren apparatuur waarmee dit mogelijk is. Overheden, financiële instellingen, telecombedrijven en datacentra gebruiken ze ook al. De methode werkt nu alleen nog tussen twee vaste punten die maximaal 200 kilometer uit elkaar liggen. Het doel van het quantuminternet is een netwerk van schakelpunten op te zetten dat de sleutels op een vertrouwde manier naar verschillende plekken kan routeren. Daarnaast werkt TNO ook aan quantumcommunicatie naar en tussen satellieten waarbij de afstandsbeperking grotendeels wegvalt. Door al deze schakelpunten met elkaar te verbinden ontstaat een quantumnetwerk.
Deze voorbeelden laten zien dat quantumtechnologie veel meer toepassingen heeft dan alleen de quantumcomputer. Ze zijn in veel gevallen ook al direct inzetbaar of komen op korte termijn beschikbaar.
