‘Wat je hier ziet zijn twee knooppunten van een quantumnetwerk. Nu staan ze netjes naast elkaar in het lab, maar ruim een jaar geleden stond er een in Den Haag”, vertelt Arian Stolk in een lab in de raamloze kelder van het Delftse quantuminstituut QuTech. Elk knooppunt beslaat een tafel en bestaat uit een zwart kastje en glasvezels en draden die verbonden zijn met elektronica, lasers en optische instrumenten, zoals spiegeltjes en lenzen. Met de zoemende elektronica en de glasvezeldraadjes die een helderrode gloed uitzenden, lijkt het een sciencefictionfilm.
Met deze opstelling brachten Stolk en Kian van der Enden, met collega’s, een quantumverbinding tot stand tussen Delft en Den Haag, over een bestaande glasvezelverbinding. Van der Enden: „Dat is een belangrijke stap naar een quantuminternet.” Hun resultaten verschenen eind vorig jaar in Science Advances.
Via zo’n netwerk, dat compleet andere eigenschappen heeft dan ons huidige huis-, tuin- en keukeninternet, zou je toekomstige quantumcomputers aan elkaar kunnen koppelen en gegarandeerd veilige verbindingen tot stand kunnen brengen.
Dit betekent niet dat je internetmodem binnenkort de deur kan. Niet alleen laat het quantuminternet nog even op zich wachten, het zal ook ons huidige internet niet vervangen, benadrukt quantumwetenschapper Gustavo Casto do Amaral, van onderzoeksorganisatie TNO. „Het zal de meeste toepassingen van het internet, zoals e-mailen, videobellen en Netflixen niet sneller of beter maken. Waarschijnlijk wordt het een parallel netwerk.” Je gebruikt het dan bijvoorbeeld enkel als privacy belangrijk is, zoals het delen van medische informatie.
Quantuminformatie kan 1 óf 0 zijn
Bijzonder aan quantumnetwerken is dat je er quantuminformatie over stuurt. De informatie van gewone internetverbindingen en computers bestaat uit bits die 1 óf 0 zijn. E-mails, filmpjes en kattenplaatjes bestaan allemaal uit rijen enen en nullen. Quantuminformatie bestaat daarentegen uit zogeheten qubits, die een combinatie van 1 én 0 kunnen zijn en daarom meer informatie kunnen bevatten en nóg een aantal nuttige eigenschappen hebben. Elektronen en fotonen (lichtdeeltjes) kunnen bijvoorbeeld qubits zijn. Bij fotonen gebruik je dan de richting van de lichtgolf: horizontaal is 0, verticaal is 1. Omdat een foton een quantumdeeltje is kan hij ook tegelijkertijd horizontaal en verticaal golven. Pas als je de richting meet – bijvoorbeeld met een polarisatiefilter – kiest hij en verdwijnen de quantumeigenschappen.
Een veelbelovende toepassing van die quantuminformatie, waar techgiganten zoals IBM en Google in investeren, is de quantumcomputer. Die belooft bepaalde berekeningen veel sneller uit te kunnen voeren dan de krachtigste supercomputers en daardoor bijvoorbeeld de ontwikkeling van gepersonaliseerde medicijnen mogelijk te maken.
Als je quantumcomputers kunt verbinden, dan levert dat een nog krachtiger systeem op. Maar quantumcomputers kun je niet simpelweg aansluiten op ons huidige internet. Daarvoor heb je een quantumnetwerk nodig, vertelt hoogleraar Ronald Hanson, van QuTech. „In het gewone internet worden signalen namelijk regelmatig uitgelezen en gekopieerd, om de signaalsterkte te behouden. Maar dat kan niet met quantuminformatie.” Als je dat uitleest of kopieert dan verdwijnt het.
:format(webp)/s3/static.nrc.nl/wp-content/uploads/2025/01/29135652/010225WET_Quantumverbinding_WEB.png)
Stolk en Van der Enden hebben aangetoond dat je voor die speciale quantumverbinding wel gebruik kunt maken van het bestaande glasvezelnetwerk van telecomprovider KPN. Hij wijst naar een blauwe kabel die uit de muur van het lab komt. „Die loopt naar Rijswijk en dan door naar Den Haag.”
De glasvezel bleek alles behalve een rechte lijn, zagen de onderzoekers toen ze in de zomer de route fietsten. Stolk: „Hij liep kriskras langs allerlei verdeelhuisjes.” De afstand is hemelsbreed tien kilometer, maar er moest ruim 25 kilometer glasvezelkabel overbrugd worden. Over die afstand legden ze een quantumverbinding aan door de twee knooppunten meermaals te verstrengelen, waardoor ze de quantuminformatie van dat verstrengelde paar deelden.
Berichten versleutelen
Verstrengeling is het toverwoord voor quantumnetwerken. Alleen als knooppunten verstrengeld zijn, kunnen ze quantuminformatie uitwisselen. Maar wat is die verstrengeling? Als twee of meer qubits verstrengeld zijn, hebben ze een bijzondere band die ze enkel met elkaar delen. Als je twee verstrengelde qubits heel ver bij elkaar vandaan haalt en je doet op beide plekken dezelfde meting, dan geven ze beide hetzelfde resultaat. Dit gebeurt onmiddellijk, zelfs als een bij Neptunus is.
Die verstrengeling heeft nuttige eigenschappen. Het zorgt er bijvoorbeeld voor dat je een quantumverbinding niet ongemerkt kunt afluisteren. Daarvoor zou je namelijk een van de qubits moeten uitlezen waarbij je de verstrengeling detecteerbaar kapot maakt. Dit en het feit dat de meetresultaten van verstrengelde qubits altijd gecorreleerd zijn, zorgen ervoor dat een quantuminternet nu al toepassingen heeft. Voor het creëren, versturen en uitlezen van verstrengelde qubits, heb je namelijk geen quantumcomputer nodig. Die is alleen nodig als je ermee wilt gaan rekenen.
Kleinschalige, beperkte quantumverbindingen tussen twee punten – over een afstand van minder dan 100 kilometer – zijn zelfs al een paar jaar te koop. Die hebben één toepassing: beveiligde communicatie. Daarvoor heb je enkel een apparaatje nodig dat fotonen (dichtdeeltjes) kan verstrengelen en twee apparaten die deze verstrengelde quantumdeeltjes (de qubits) kunnen uitlezen. Bij dat uitlezen verdwijnen de quantumeigenschappen – je meet dus een 1 of een 0, niet een combinatie. Maar als je op de twee punten de verstrengelde deeltjes op dezelfde manier meet, dan krijg je wel gecorreleerde antwoorden – dus bijvoorbeeld allebei een 1. Die antwoorden kun je gebruiken om een zogeheten quantumsleutel te maken. Dit zijn codes waarmee je berichten kunt versleutelen en zo onleesbaar maken voor iedereen zonder de sleutel. Die versleutelde berichten stuur je vervolgens over het gewone internet. De Delftse spin-off Q*Bird sloot in 2022 bijvoorbeeld bedrijven in de haven van Rotterdam aan op een dergelijk quantumnetwerk.
Ondertussen werken onderzoekers wereldwijd aan grotere, complexere quantumnetwerken met meer toepassingen. In een ander QuTech-lab demonstreerden onderzoekers in 2021 het eerste quantumnetwerk met drie verstrengelde knooppunten. In datzelfde jaar verstuurde een Chinese satelliet verstrengelde fotonen naar twee grondstations, 1.200 kilometer uit elkaar..
Chips met een ‘foutje’
Vorig jaar publiceerde drie onderzoeksgroepen – waaronder de QuTech-groep – over complexere quantumnetwerken die de stap maakten uit het lab, naar een stedelijk gebied. De gedeelde primeur ging naar onderzoeksgroepen uit China en de Verenigde Staten. In de Chinese stad Hefei werden drie knooppunten verbonden en in de VS twee knooppunten die fysiek dicht bij elkaar stonden maar verbonden waren via een glasvezelkabel van 35 kilometer.
De quantumverbinding tussen Delft en Den Haag had overeenkomsten met beide experimenten. Net als in China gebruikten ze fysiek van elkaar verwijderde knooppunten en net als in de VS bestonden hun knooppunten uit wat complexere quantumsystemen. Ze gebruikten daarvoor diamantchips. Dit zijn piepklein diamantje met een ‘foutje’ in het kristalrooster: een plek waar een koolstofatoom is vervangen door een stikstofatoom, met daarnaast een gat waar een koolstofatoom mist. Hierin zit een extra elektron gevangen dat dienst doet als qubit.
„De twee quantumchips in Delft en Den Haag verstrengelen we door lichtdeeltjes te gebruiken als tussenpersoon”, vertelt Hanson. „Daarvoor laten we de chips eerst allebei een foton uitzenden, die verstrengeld is met de qubit-chip. Vervolgens sturen we beide fotonen naar een tussenstation – in dit geval in Rijswijk – waar we ze als het ware aan elkaar knopen. Dat draagt de verstrengeling over waardoor de twee chips verstrengeld raken.”
Dit proces is niet eenvoudig omdat de verstrengelde fotonen fragiel zijn en je ze niet kunt kopiëren. Als je ze onderweg kwijtraakt, dan moet je opnieuw beginnen. „Daarom hebben we onze hele trukendoos opengegooid”, vertelt Hanson.
Een van de trucs was om de lichtdeeltjes die de qubit-chips uitzenden om te zetten naar een andere kleur (oftewel: golflengte), vertelt Stolk. Ze zijn namelijk rood en dat lekt snel weg uit de glasvezel. Met behulp van een krachtige laser, kunnen ze nu het lichtdeeltje – met behoud van verstrengeling – omzetten naar de zogeheten (kleurloze) telecomgolflengte, die nauwelijks weglekt.
Het is de bedoeling dat je geen quantumfysica-expert hoeft te zijn om ermee te werken
Hoewel het met deze trukendoos lukte om de twee quantumchips af en toe te verstrengelen, zijn er nog flinke stappen nodig voordat een quantuminternet in de Randstad een feit is. „We moeten naar kleinere, snellere en robuustere systemen als we nuttige netwerken met meer knooppunten willen gaan bouwen”, zegt Hanson. Bij QuTech werken ze aan een andere quantumchip, met een diamantje met een tin-atoom in plaats van een stikstofatoom, die net andere eigenschappen heeft, waardoor het verkleinen en opschalen mogelijk wordt.
Er wordt ook gewerkt aan het oprekken van de afstand, bijvoorbeeld bij TNO. „Bij meer dan een paar honderd kilometer hebben glasvezelkabels te veel verliezen”, zegt Castro do Amaral. „Dan heb je een andere oplossing nodig, zoals satellieten. Je maakt dan verstrengeling in een satelliet en stuurt die naar grondstations.” Een andere langetermijnoplossing zijn zogeheten quantum repeaters, die het quantumsignaal kunnen versterken. Daar wordt aan gewerkt, maar die technologie lijkt voorlopig nog niet beschikbaar.
Apps voor het quantuminternet
QuTech kijkt ook naar een toekomst met quantumnetwerken. Nu is het vooral het terrein van quantumfysici. „Maar uiteindelijk is het de bedoeling dat je geen quantumfysica-expert hoeft te zijn om ermee te werken”, zegt hoogleraar Stephanie Wehner van QuTech. Wehners onderzoeksgroep werkt daarom aan wat misschien wel het eerste quantumnetwerkbesturingssysteem is.
Besturingssystemen zijn de softwarelaag die tussen de hardware (quantumchips of computerchips) en de programma’s of apps zit. Programmeurs die een app zoals WhatsApp willen maken, hoeven daarom niet de hardware van je smartphone te begrijpen. Windows, MacOS en Android zijn voorbeelden van besturingssystemen van computers en telefoons.
Welke apps je kunt maken voor het quantuminternet, zal moeten blijken. Hanson: „We weten nog niet precies voor welke toepassingen het nuttig is.” Er zijn ideeën, zoals het synchroniseren van klokken. „Maar wetenschappers weten niet altijd wat de samenleving nodig heeft en wil – dat kan ik als wetenschapper wel zeggen”, lacht Wehner. „Het is daarom belangrijk dat meer mensen betrokken raken.”
Wehner ontwikkelt daarom met collega’s het platform Quantum Network Explorer, zodat iedereen de toepassingen kan verkennen, eerst met een simulatie en in de toekomst met quantumhardware. „Als bedrijven, studenten en andere geïnteresseerden er nu al mee kunnen experimenten, dan kan dat ons ook helpen om meer toepassingsgerichte quantumtechnologie te ontwikkelen.”
