Kwantumgeheugen: de sleutel tot een écht kwantuminternet
Stel je een estafetteloop voor waarbij het stokje niet fysiek wordt doorgegeven, maar waarbij de precieze staat van de loper op het moment van overdracht bewaard moet blijven — inclusief alle subtiele details die verloren gaan zodra je ernaar kijkt. Dat is ongeveer het probleem dat kwantumgeheugen probeert op te lossen. Het is een apparaat dat de broze kwantumtoestand van een deeltje, meestal een foton (een lichtdeeltje), tijdelijk kan vasthouden zonder die toestand te verstoren, om hem later weer af te geven.
Gewoon computergeheugen slaat nullen en enen op. Kwantumgeheugen slaat een kwantumbit (qubit) op, die dankzij het verschijnsel superpositie tegelijk iets tussen 0 en 1 kan zijn, en die vaak verstrengeld is met een qubit elders. Die verstrengeling — een soort onzichtbare, instantane correlatie tussen twee deeltjes, ongeacht de afstand — is de grondstof van kwantumcommunicatie en een toekomstig kwantuminternet. Het probleem is dat fotonen die informatie dragen zich met lichtsnelheid door glasvezel voortplanten en na een paar tientallen kilometers grotendeels worden geabsorbeerd. Kwantumgeheugen fungeert dan als een soort wachtkamer: het legt een fragiele kwantumtoestand tijdelijk vast, zodat je kunt wachten tot een partnerknooppunt verderop in het netwerk ook klaar is, voordat je verder communiceert.
Wat is het precies?
In de kern bestaat kwantumgeheugen uit een fysiek systeem — een atoom, een verzameling atomen, een gebrek in een kristalrooster — waarvan een kwantumeigenschap (bijvoorbeeld de spin, de draairichting van een elektron of atoomkern) tijdelijk gekoppeld kan worden aan de kwantumtoestand van een binnenkomend foton. Het proces verloopt ruwweg in drie stappen.
Eerst wordt de informatie van het foton overgedragen op het opslagmedium, meestal met een zorgvuldig getimede laserpuls die de interactie tussen licht en materie mogelijk maakt. Vervolgens moet die toestand een tijdje stabiel blijven: dit heet de coherentietijd, de periode waarin de kwantuminformatie niet weglekt naar de omgeving door onvermijdelijke trillingen, temperatuurschommelingen of elektromagnetische ruis. Dat wegvloeien van kwantuminformatie heet decoherentie en is de grootste vijand van elk kwantumsysteem. Ten slotte wordt de toestand, op commando, weer omgezet in een nieuw foton dat de reis kan voortzetten.
Er zijn verschillende fysieke platformen om dit te doen. Onderzoekers gebruiken onder meer NV-centra (stikstof-vacature-centra) in diamant, kleine roosterfoutjes waarin een enkel elektron als geheugen dient; kristallen gedoteerd met zeldzame-aardmetalen zoals europium of praseodymium, waarin miljoenen atomen als één collectief geheugen werken; wolken ultrakoude atomen die met lasers worden vastgehouden; en getrapte ionen, atomen die met elektrische velden zwevend worden vastgezet. Elk platform heeft eigen voor- en nadelen op het gebied van opslagtijd, efficiëntie (hoeveel procent van de fotonen daadwerkelijk wordt vastgehouden) en compatibiliteit met bestaande telecom-glasvezel.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is het bouwen van een kwantumrepeater: een tussenstation dat verstrengeling over lange afstanden mogelijk maakt door de glasvezelverbinding in kortere stukken te knippen en de kwantumtoestand aan elk knooppunt tijdelijk op te slaan totdat de hele keten synchroon loopt. Zonder zulke repeaters is kwantumcommunicatie beperkt tot enkele honderden kilometers glasvezel, of tot satellietverbindingen.
Met werkende kwantumgeheugens wordt in theorie een aantal dingen mogelijk: afluisterveilige communicatie via kwantumsleuteldistributie (QKD) over continentale afstanden, het koppelen van kwantumcomputers in verschillende steden of landen tot één groter rekensysteem, en extreem precieze, gedeelde kwantumklokken voor bijvoorbeeld navigatie of fundamenteel natuurkundig onderzoek. Het achterliggende doel is dus niet zozeer een nieuw soort harde schijf, maar een nieuwe laag infrastructuur: een kwantuminternet dat naast het gewone internet functioneert.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal onderzoeksgroepen heeft de afgelopen jaren aantoonbare stappen gezet.
- QuTech (TU Delft/TNO), Nederland — de groep van natuurkundige Ronald Hanson gebruikte NV-centra in diamant om in 2015 een zogeheten 'loophole-free' Bell-test uit te voeren, en bouwde daarna een van de eerste multi-node kwantumnetwerken, met resultaten gepubliceerd in onder meer Nature en Science rond 2021. Delft geldt internationaal als een van de koplopers in kwantumnetwerktechnologie.
- Australian National University — onderzoekers rond Manjin Zhong toonden in 2015 in een praseodymium-gedoteerd kristal een coherentietijd van maar liefst zes uur aan, destijds een record dat liet zien hoe lang kwantuminformatie in vaste stof bewaard kán blijven onder ideale omstandigheden (dit betrof overigens een kernspin-toestand, niet per se een volledig bruikbaar fotonisch geheugen).
- Universiteit van Genève, Zwitserland — de groep van Nicolas Gisin is decennialang toonaangevend geweest in kristalgebaseerd kwantumgeheugen op telecom-golflengten, relevant omdat dat compatibel is met bestaand glasvezelnetwerk.
- USTC, China — de groep van Pan Jianwei combineerde kwantumgeheugen-onderzoek met de Micius-satelliet (gelanceerd in 2016) voor satellietgebaseerde kwantumsleuteldistributie, en publiceerde in de jaren daarna diverse experimenten met koude-atoomgeheugens voor grondgebonden repeaters.
- IonQ, Verenigde Staten — het van oorsprong op getrapte ionen gerichte kwantumcomputerbedrijf breidde in 2024-2025 uit naar kwantumnetwerken via overnames van het Zwitserse ID Quantique (QKD-specialist) en het Amerikaanse Qubitekk, en kondigde een samenwerking aan met energiebedrijf EPB in Chattanooga, Tennessee, om op bestaande glasvezelinfrastructuur een testomgeving voor kwantumcommunicatie op te zetten.
Hoe ver is de techniek?
Kwantumgeheugen is nadrukkelijk nog laboratoriumtechnologie, geen product. De vooruitgang wordt meestal uitgedrukt in drie getallen die alle drie tegelijk goed moeten zijn, wat het lastig maakt: hoe lang de opslag betrouwbaar is (coherentietijd), hoe efficiënt het opslaan en uitlezen verloopt (hoeveel fotonen je daadwerkelijk terugkrijgt) en hoe zuiver de teruggegeven kwantumtoestand is (fidelity, oftewel gelijkenis met het origineel).
Coherentietijden zijn in laboratoriumomstandigheden inmiddels opgelopen van microseconden naar, in specifieke experimentele opstellingen, uren — maar zulke recordwaarden gelden zelden voor een compleet werkend, op-commando afspeelbaar geheugen dat ook nog eens goed met telecomfotonen samenwerkt. Efficiëntie is nog steeds een groot knelpunt: veel opstellingen halen op dit moment maar een fractie van de fotonen terug, wat een kwantumnetwerk in de praktijk traag en foutgevoelig maakt. Ook 'multiplexing' — het tegelijk kunnen opslaan van veel fotonen in plaats van één voor één — is nog volop onderzoek.
Er is dus reële vooruitgang, met een gestage stroom publicaties en steeds langere testnetwerken (van een paar meter naar enkele tientallen kilometers), maar een operationeel, foutbestendig kwantuminternet met repeaters op basis van kwantumgeheugen wordt door de meeste experts eerder op een horizon van tien tot twintig jaar geplaatst dan van enkele jaren. Onzekerheid hierover is groot: net als bij kwantumcomputers zelf is het lastig te voorspellen welke doorbraak welk tijdpad verandert.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is sterk internationaal en overwegend publiek gefinancierd, met een groeiend aantal private spelers. In Europa trekt het Quantum Internet Alliance, onderdeel van het bredere EU Quantum Flagship-programma, de kar, met QuTech in Delft als een van de centrale knooppunten. Ook Duitsland (Max Planck-instituten), Zwitserland (Universiteit van Genève, ID Quantique) en het Verenigd Koninkrijk investeren fors.
In de Verenigde Staten valt het onderzoek grotendeels onder de National Quantum Initiative, met bijdragen van nationale laboratoria zoals Argonne en Oak Ridge, universiteiten als Caltech en Harvard, en bedrijven als IonQ. China investeert via staatsprogramma's zwaar in kwantumcommunicatie, met USTC als vlaggenschipinstituut en de Micius-satelliet als zichtbaarste resultaat. Ook Japan en Zuid-Korea hebben eigen nationale kwantumcommunicatieprogramma's.