Wat je vandaag al moet met quantumtechnologie

Waarom Nederland miljoenen investeert en waarom Amerika en China in harde concurrentiestrijd zijn om leiderschap in #qutech

18 februari 2020: De Nederlandse overheid investeert 23,5 miljoen in quantumtechnologie

Stel je voor dat we binnen één dag een nieuw geneesmiddel voor het coronavirus gevonden zouden hebben. Dat we een onhackbaar internet hebben dat niet afgeluisterd kan worden. We de klimaatverandering gerichter zouden kunnen aanpakken omdat we precies kunnen uitrekenen hoe het klimaat reageert op broeikasgassen, atmosferische veranderingen en de beplanting en bebouwing op de bodem? En dat we bombrieven kunnen detecteren terwijl ze nog in de postzak zitten in een vrachtwagen?

Extreem snellere computers, hypergevoelige sensoren en ultrasnelle veilige communicatie: dat zijn de grote beloftes van een nieuwe generatie technologie die momenteel in ontwikkeling is: de quantum technology (QT). De technologie heeft naar verwachting nog minstens tien jaar nodig om commercieel beschikbaar te komen. Toch moeten bedrijven en overheden zich nu al gaan voorbereiden en hun informatiebeveiliging toekomstbestendig maken.

Quantum supremacy

Wat is quantumtechnologie? Quantumtechnologie maakt gebruik van de bijzondere eigenschappen van hele kleine structuren van enkele atomen en kleiner (het gedrag hiervan wordt beschreven met de quantummechanica). Zo kan een quantumcomputer berekeningen tegelijkertijd uitvoeren die een normale computer achter elkaar moet uitvoeren. Quantumcomputers hebben daarom de potentie om berekeningen extreem veel sneller uit te kunnen uitvoeren dan de hedendaagse supercomputers: in enkele minuten in plaats van duizenden jaren, ofwel ‘nooit’.

De eigenaardige eigenschappen van kleine deeltjes

Op hele kleine schaal krijgen deeltjes eigenaardige eigenschappen die niet meer aansluiten bij onze intuïtie. Zo hebben deeltjes een golf-karakter: zo lang een deeltje niet gemeten wordt, heeft het geen locatie of richting (up/down ofwel 1 en 0). Theoretisch kunnen ze op meerdere plaatsen tegelijk zijn. Quantumcomputers kunnen daarom rekenen met meerdere toestanden tegelijk, bijvoorbeeld: 01, 10, 11, 00 (traditionele computers rekenen met 0 en 1, aan of uit). En ‘deeltjes’ kunnen communiceren met oneindige snelheid (hier wilde Einstein, die bleef vasthouden aan de lichtsnelheid als limiet, niets van weten). Deeltjes zijn dus als het ware ‘verstrengeld’ (entangled): als het ene deeltje gemeten wordt en een 1 is, is het andere, bijvoorbeeld aan de andere kant van de wereld, ‘automatisch’ een 0. Hiermee zijn nieuwe vormen van communicatie mogelijk.

Afgelopen najaar demonstreerde Google een quantumcomputer die in enkele minuten een berekening uitvoerde waar gewone supercomputers tienduizend jaar over zouden doen. Critici gaven aan dat dit wat overdreven was maar schatten de rekentijd met de huidige supercomputers en met geoptimaliseerde algoritmes op zijn best op 2,5 dag. Een definitief bewijs dat quantumtechnologie superieur is, aldus Google. De quantumtechnologie (QT) staat immers nog in de kinderschoenen, dus de prestaties zullen alleen maar verder toenemen.

Grote belofte

De belofte is dat quantumcomputers zorgen voor een grote vooruitgang in het oplossen van complexe vraagstukken waarbij gerekend moet worden met veel data en veel variabelen. Zoals hoe het klimaat tot stand komt en met welke unieke stoffen bepaalde ziektes heel precies genezen kunnen worden door bijvoorbeeld in te grijpen op het DNA.

Je zou het effect van alle combinaties van stoffen op het lichaam kunnen uitproberen in de computer

Je zou het effect van alle combinaties van stoffen op het lichaam kunnen uitproberen in de computer. De ontwikkeling en toepassing van kunstmatige intelligentie zou eveneens een enorme sprong voorwaarts kunnen maken. En met quantumcomputers zou in een keer de kortste route om te reizen tussen 25 steden kunnen worden uitgerekend, het zogenoemde ‘handelsreizigerprobleem’. Dit wiskundig probleem wordt gebruikt in talloze domeinen zoals logistiek, sterrenkunde, analyseren van DNA en het produceren van computerchips.

Andere toepassingen van quantumtechnologie zijn ultragevoelige sensoren die hele zwakke signalen kunnen detecteren. Zo zou je door smog heen kunnen meten (hier ligt de interesse in China) of hele nauwkeurige plaatsbepaling doen op basis van het aardmagnetisch veld, zonder satellieten.

Daarnaast wordt gewerkt aan de ontwikkeling van een quantuminternet dat communicatie tussen quantumcomputers mogelijk maakt en dat niet af te luisteren is. Hoewel sommige wetenschappers dat betwisten.

Uitdagingen

De eerste veelbelovende resultaten zijn inmiddels uit het lab gekomen maar voor we op grote schaal kunnen profiteren van quantumtechnologie moet nog een aantal hobbels worden overwonnen. De grootste hobbel is de kwetsbaarheid van de technologie: alleen bij extreem lage temperaturen (-270 graden) en zonder geluidstrillingen zijn de huidige quantumcomputers stabiel. Met een kleine verstoring verliest de quantumcomputer zijn informatie en wordt ‘onleesbaar’.

Bovendien zijn laserbundels nodig en ingewikkelde ‘bedrading’ met glasvezels om de quantum-onderdelen met elkaar te verbinden.

Een Nederlandse vinding zou kunnen zorgen voor een grote doorbraak in de stabiliteit. Het onderzoeksteam onder leiding van qutech-hoogleraar Kouwenhoven, haalde in 2018 de wereldpers met de ontdekking van het zogeheten ‘Majorana-deeltje, een quantum-deeltje. Dit enthousiasme zorgde er mede voor dat Microsoft instapte en Kouwenhoven de directeur werd van het vorig jaar geopende nieuwe Microsoft Quantum Lab op de TU Delft. Hierin  wordt de toepassing van het Majorana-deeltje de komende jaren verder onderzocht en getest. Toch moest de Delftse onderzoeksgroep dit jaar terugkomen op de conclusies uit 2018. Na nieuwe bestudering van de onderzoeksgegevens uit 2018 zijn er nu twijfels zijn of de conclusies die getrokken werden, standhouden.

Inmiddels is in juni 2020 weer een verrassende nieuwe disruptieve speler opgestaan, het Britse Universal Quantum. Dit bedrijf heeft een hele andere techniek ontwikkeld voor het bouwen van quantumcomputers (zonder lasers en extreme koeling, maar met geladen atomen en microgolfvelden), die veel beter op te schalen is. Hun belofte: een computer met een miljoen qubits.

Naast hardware is ook software een grote uitdaging

Naast de hardware is ook de software een grote uitdaging. Omdat quantumcomputers op een andere manier berekeningen uitvoeren is nieuwe software (algoritmes, wiskunde) nodig om maximaal gebruik te kunnen maken van de mogelijkheden. Met ‘slechte’ software verlies je de winst die je met de hardware kunt boeken. Ook hier wordt fors in geïnvesteerd.

Door alle technologische uitdagingen laat een commerciële quantumcomputer naar verwachting nog minstens tien jaar op zich wachten.

China versus VS: commerciële en militaire belangen

Hoewel de wetenschappelijke oorsprong van quantumtechnologie in Europa ligt, is de afgelopen tien jaren een concurrentiestrijd ontstaan tussen China en de Verenigde Staten voor wie het eerst met werkende toepassingen komt. Beide landen hopen door voorop te lopen in de technologie de verdere ontwikkelingen in de ICT en alles wat daarmee samenhangt (door digitalisering is dit vrijwel elke sector) te kunnen (blijven) domineren. Beide landen hebben met beurzen talentvolle onderzoekers naar zich toe getrokken en investeren honderden miljoenen in nationale onderzoeksprogramma’s en laboratoria.

In 2018 had China bijna twee keer zoveel patentaanvragen als de Verenigde Staten en zestien keer zoveel als Europa voor quantumtechnologie inclusief sensoren, communicatie- en cryptologieapparatuur.

De Verenigde Staten lopen echter voorop in patenten voor quantumcomputers, die door velen als het belangrijkste domein van de QT worden beschouwd. IBM, Google, Microsoft en Amazon hebben hierin zware investeringen gedaan.

Behalve commerciële belangen zijn er ook militaire belangen en het belang van staatsveiligheid: met quantumtechnologie kan in één keer alle bestaande encryptie worden ontsleuteld, zouden stealth-vliegtuigen gedetecteerd kunnen worden evenals explosieven in voorbijrijdende vrachtwagens. China op zijn beurt wil een quantuminternet bouwen dat niet meer afgeluisterd kan worden door de VS en de gevoelige quantumsensoren kunnen plaatsbepaling mogelijk maken zonder satellieten zoals die van het Amerikaanse GPS, nu nog gebruikt in smartphones.

De Amerikaanse regering overweegt om Chinese onderzoekers uit te sluiten van bepaalde onderzoeksprogramma’s

China heeft Chinese onderzoekers die in Europa en de VS promoveren, opgeroepen om daarna ‘terug te keren’. De Amerikaanse regering overweegt om Chinese onderzoekers uit te sluiten van bepaalde onderzoeksprogramma’s.

Europa en Nederland

Gezien de huidige investeringen en het aantal patenten gaan waarschijnlijk China (Alibaba, Tencent, Baidu) en de Verenigde Staten (IBM, Google, Microsoft, Amazon) commercieel het meest profiteren van de ontwikkelingen.

Net als bij kunstmatige intelligentie was Europa er vroeg bij met een sterke wetenschappelijke positie maar zijn er amper grote bedrijven bij betrokken en worden onderzoeksgroepen en startups ingelijfd door de grote Amerikaanse spelers. Europa is vooral partner van Amerikaanse bedrijven die hun eigen technologie ontwikkelen en het meeste daarvan in de VS doen.

Europa wil met grote onderzoeksprogramma’s zoals het ‘QT Flagship’ van een miljard euro, een sleutelspeler worden bij de toepassing van quantumtechnologie. Ze richt zich op gebieden waar andere zich nog minder op gestort hebben en die cruciaal zijn: ‘control’ en software. Hier liggen nog grote uitdagingen die overwonnen moeten worden om quantumtechnologie op grote schaal uit te kunnen rollen.

Nederland is wat betreft financiering en aantal onderzoeksprojecten een middenmoter in Europa, dat aangevoerd wordt door Duitsland, het Verenigd Koninkrijk en Frankrijk. Via de Nationale Agenda Quantumtechnologie werken universiteiten, TNO, Microsoft en de Amsterdamse Internet Exchange (AMS-IX) samen en investeert de Nederlandse overheid in onderzoek en ontwikkeling van quantumtechnologie. Nederland heeft met het lab van Microsoft een interessante ‘onderzoeksvis’ gevangen maar dat zegt nog weinig over hoe Nederland economisch zal gaan profiteren van de ontwikkeling van QT.

Bedrijven pas uw informatiebeveiliging aan!

Wat moet je als organisatie nu al met quantumtechnologie? Quantumtechnologie is een zeer veelbelovende technologie die een ‘boost’ zal geven aan de digitalisering en die alle sectoren en domeinen van onze samenleving zal raken. Waarschijnlijk duurt het nog minstens tien jaar voor commercieel beschikbare toepassingen beschikbaar komen en quantumtechnologie breed uitgerold kan worden. Toch betekent de huidige stand van ontwikkeling en verspreiding van de technologie, dat bedrijven en overheden zich nu al moeten gaan voorbereiden op de komst van quantumcomputing. Hiermee zou de bestaande informatiebeveiliging in één keer gekraakt zou kunnen worden.

De huidige encryptie kan door quantumcomputers binnen enkele minuten worden ontcijferd

De huidige encryptie is vaak gebaseerd op ‘sleutels’ die zo ingewikkeld zijn dat de huidige computers er jaren over zouden doen om deze te ontcijferen, om alle mogelijke combinaties uit te proberen. Met quantumcomputers zou dat teruggebracht kunnen worden tot enkele minuten. Daarom worden er nu al nieuwe encryptie-methoden ontwikkeld die bestand zijn tegen de rekenkracht van quantumcomputers: post-quantum cryptography genaamd.

Naast het implementeren van deze nieuwe beveiligingsmethoden zullen bedrijven er ook rekening mee moeten houden dat ze in de toekomst sneller hun encryptie moeten kunnen aanpassen en variëren om zo de nieuwe ontwikkelingen in quantumtechnologie voor te blijven. Als je dacht dat de huidige digitalisering al snel ging, zet je dan maar schrap voor de quantumtoekomst.

Dit artikel verscheen bij Marketingfacts, in mijn wekelijkse rubriek FutureWatch. Hierin ga ik in op nieuwe trends en ontwikkelingen en hun betekenis voor de samenleving en de markt. Wat gaat er veranderen? Hoe ziet de toekomst eruit?
Dit artikel werd gepubliceerd bij ManagementImpact.
Dit artikel werd in juni 2020 gepubliceerd bij iBestuur, in een geactualiseerde versie.