Kwantuminformatie: hoe de wetten van de kwantummechanica computers en communicatie veranderen
Kwantuminformatie is informatie die is opgeslagen en verwerkt volgens de regels van de kwantummechanica, de natuurkunde van hele kleine deeltjes zoals elektronen en fotonen (lichtdeeltjes). Een gewone computer rekent met bits: schakelaartjes die óf 0 óf 1 zijn, zoals een lichtknopje dat aan of uit staat. Een kwantumcomputer rekent met qubits, en die kunnen zich gedragen alsof ze tegelijk 0 én 1 zijn, een beetje zoals een muntstuk dat nog aan het tollen is en pas bij het neervallen kop of munt wordt. Zolang je niet kijkt, zijn beide uitkomsten in zekere zin nog mogelijk.
Dat klinkt abstract, maar het heeft heel concrete gevolgen. Doordat qubits op deze manier meerdere toestanden tegelijk kunnen "vasthouden", en doordat ze op een vreemde manier met elkaar verbonden kunnen raken (verstrengeling, zie hieronder), kunnen kwantumsystemen in theorie bepaalde berekeningen razendsnel uitvoeren, en informatie op een manier versturen die onmogelijk af te luisteren is zonder dat te merken. Kwantuminformatie is dus geen los onderwerp, maar het fundament onder drie grote velden: kwantumcomputers, kwantumcommunicatie en kwantumsensoren.
Wat is het precies?
Een klassieke bit heeft twee mogelijke waarden: 0 of 1. Een qubit (kwantumbit) kan ook 0 of 1 zijn, maar zolang hij niet gemeten wordt, bevindt hij zich in een zogeheten superpositie: een mengsel van beide mogelijkheden tegelijk, elk met een bepaalde kans. Pas op het moment van meten "kiest" de qubit voor 0 of 1. Dit is geen kwestie van onwetendheid over een verborgen waarde, zoals bij een gesloten doos met een muntstuk erin; de kwantummechanica stelt dat de uitkomst pas op het moment van meten daadwerkelijk vastligt.
Een tweede, nog vreemder verschijnsel is verstrengeling (entanglement). Twee qubits kunnen zo met elkaar verbonden raken dat de uitkomst van een meting aan de ene qubit onmiddellijk iets zegt over de andere, ook als ze kilometers uit elkaar liggen. Albert Einstein noemde dit ooit "spookachtige werking op afstand", omdat het niet past bij ons intuïtieve beeld van de werkelijkheid. Verstrengeling is geen manier om sneller dan het licht berichten te versturen, maar wel de bouwsteen achter kwantumcommunicatie en veel kwantumalgoritmes.
Een derde belangrijk principe is de no-cloning-stelling: het is onmogelijk om een onbekende kwantumtoestand perfect te kopiëren. Dat klinkt als een beperking, maar het is juist de basis van kwantumveilige communicatie: een afluisteraar kan een kwantumsignaal niet ongemerkt aftappen en doorsturen, omdat elke meting de toestand verstoort.
Om qubits te maken, gebruiken onderzoekers uiteenlopende fysieke systemen: supergeleidende circuits die tot bijna het absolute nulpunt (-273°C) gekoeld worden (gebruikt door onder meer Google en IBM), gevangen individuele atomen of ionen die met laserlicht worden bestuurd (IonQ, Quantinuum), of fotonen die door glasvezel of optische chips reizen (PsiQuantum, Xanadu). Elke aanpak heeft eigen voor- en nadelen op het gebied van stabiliteit, schaalbaarheid en foutgevoeligheid.
Wat wil men ermee bereiken?
Het eerste doel is de kwantumcomputer: een machine die bepaalde typen problemen exponentieel sneller kan oplossen dan de beste klassieke supercomputer. Een bekend voorbeeld is het factoriseren van grote getallen in priemfactoren, iets wat het kwantumalgoritme van wiskundige Peter Shor (1994) in theorie veel sneller kan dan elke klassieke methode. Omdat de veiligheid van veelgebruikte encryptie zoals RSA juist steunt op de moeilijkheid van dat factoriseren, heeft dit grote gevolgen voor digitale beveiliging op de lange termijn. Andere veelbelovende toepassingen liggen in het simuleren van moleculen en materialen (relevant voor medicijnontwikkeling en batterijchemie) en in optimalisatieproblemen, bijvoorbeeld voor logistiek of financiële modellen.
Het tweede doel is kwantumcommunicatie, met als bekendste toepassing kwantumsleuteldistributie (Quantum Key Distribution, QKD). Hiermee kunnen twee partijen een geheime sleutel uitwisselen via fotonen, waarbij elke afluisterpoging aantoonbaar sporen achterlaat dankzij de hierboven genoemde meetverstoring. Op de langere termijn dromen onderzoekers van een "kwantuminternet": een netwerk waarin verstrengeling tussen verre knooppunten wordt verspreid, wat nieuwe vormen van ultraveilige communicatie en gekoppelde kwantumcomputers mogelijk zou maken.
Een derde, minder bekend maar praktisch al verder gevorderd doel is kwantumsensing: het gebruik van kwantumeffecten om extreem gevoelige metingen te doen, van atoomklokken tot magnetische- en zwaartekrachtsensoren die bijvoorbeeld ondergrondse structuren of medische signalen kunnen detecteren.
Voorbeelden uit de praktijk
In 2019 claimde Google met zijn 53-qubit-chip Sycamore "kwantumsuprematie": de chip zou een specifieke rekentaak in ongeveer 200 seconden hebben uitgevoerd die volgens Google op de snelste klassieke supercomputer duizenden jaren zou kosten. Die claim was en is omstreden: onderzoekers, onder wie teams van IBM, lieten later zien dat slimmere klassieke simulatiemethoden de kloof aanzienlijk konden verkleinen. Het voorbeeld illustreert hoe snel de lat in dit vakgebied verschuift.
In december 2024 kondigde Google zijn nieuwe chip Willow aan, met als belangrijkste resultaat dat foutcorrectie voor het eerst op deze schaal "onder de drempel" werkte: naarmate er meer fysieke qubits worden gebruikt om één betrouwbaardere "logische" qubit te vormen, nam het foutpercentage exponentieel af in plaats van toe. Dit wordt gezien als een belangrijke stap richting bruikbare, foutbestendige kwantumcomputers, al is er nog een lange weg te gaan naar praktische toepassingen.
China zette in 2016 de satelliet Micius (ook wel Mozi genoemd) in een baan om de aarde, speciaal gebouwd voor experimenten met kwantumsleuteldistributie via de ruimte. In 2017 en 2018 werden hiermee succesvolle QKD-verbindingen tussen grondstations gedemonstreerd, en werd zelfs een intercontinentale, kwantumbeveiligde videoverbinding tussen China en Oostenrijk getoond, een van de eerste praktische bewijzen dat kwantumcommunicatie ook over grote afstanden via satellieten kan werken.
In Nederland werkt onderzoeksinstituut QuTech in Delft, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, aan een kwantuminternet. De groep demonstreerde de afgelopen jaren netwerken waarin verstrengeling tussen meerdere, fysiek gescheiden knooppunten via glasvezelverbindingen tot stand werd gebracht, een belangrijke stap op weg naar een schaalbaar kwantumnetwerk in stedelijk gebied.
IBM bouwde eind 2023 met de chip Condor een supergeleidende processor met 1121 qubits, destijds de grootste van het bedrijf. Inmiddels legt IBM in zijn routekaart minder nadruk op het simpelweg opstapelen van qubits en meer op foutcorrectie en het koppelen van meerdere kleinere chipmodules tot één groter rekensysteem.
Hoe ver is de techniek?
Kwantumcomputers bevinden zich grofweg nog in wat natuurkundige John Preskill in 2018 het "NISQ"-tijdperk noemde: Noisy Intermediate-Scale Quantum, oftewel ruizige, middelgrote kwantumsystemen. Huidige chips hebben honderden tot ruim duizend qubits, maar die zijn nog gevoelig voor storing door warmte, trilling en elektromagnetische ruis, waardoor rekenfouten optreden voordat een berekening is afgerond. Volledig foutbestendige, universeel inzetbare kwantumcomputers, die grote, praktisch relevante problemen betrouwbaar kunnen oplossen, bestaan nog niet.
De doorbraak met Google's Willow-chip in 2024 is veelbelovend omdat foutcorrectie eindelijk de goede kant op lijkt te schalen, maar dat betekent niet dat het probleem is opgelost: er zijn nog aanzienlijk meer betrouwbare qubits nodig om praktisch nuttige, foutbestendige berekeningen te doen dan er nu beschikbaar zijn. Schattingen over wanneer een echt bruikbare, foutbestendige kwantumcomputer er is, lopen in de sector uiteen van pakweg tien tot enkele tientallen jaren, en dergelijke voorspellingen zijn in het verleden vaker te optimistisch gebleken.
Kwantumcommunicatie staat op sommige punten praktisch verder: QKD-netwerken via glasvezel en satellieten zoals Micius zijn al operationeel getest, en in landen als China en delen van Europa liggen al beperkte, dedicated kwantumveilige verbindingen, bijvoorbeeld voor overheids- en bankverkeer. Een wereldwijd, algemeen toegankelijk kwantuminternet is echter nog toekomstmuziek; de huidige demonstraties beperken zich tot enkele knooppunten over stedelijke afstanden.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten investeren techbedrijven als IBM, Google en Microsoft (met zijn Azure Quantum-platform) fors in eigen kwantumhardware en -software, naast gespecialiseerde bedrijven zoals IonQ en Quantinuum (ontstaan in 2021 uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum), die werken met gevangen ionen, en Rigetti Computing en PsiQuantum met respectievelijk supergeleidende en fotonische chips. De Amerikaanse overheid ondersteunt dit veld sinds de National Quantum Initiative Act, die eind 2018 werd ondertekend en gericht is op het versnellen van kwantumonderzoek.
China investeert eveneens zwaar in kwantumtechnologie, met de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) en natuurkundige Pan Jianwei als bekende drijvende kracht achter onder meer het Micius-satellietprogramma en grootschalige QKD-netwerken.
In Europa coördineert het Quantum Flagship-programma van de Europese Unie, gestart in 2018 met een budget van ongeveer een miljard euro over tien jaar, tientallen onderzoeksprojecten op het gebied van kwantumcomputers, -communicatie en -sensoren. Nederland speelt hierin een relatief prominente rol via QuTech in Delft. Ook bedrijven als het Franse Pasqal (met neutrale atomen) en het Canadese Xanadu (fotonisch) zijn actieve spelers in dit internationale veld.