‘Pas op dat quantum de digitale kloof niet vergroot’

Het Amerikaanse California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena is een relatief kleine universiteit, maar wereldberoemd. Liefst 79 Nobelprijswinnaars waren hieraan verbonden. Het maakt Caltech de op één na beste universiteit als je kijkt naar het aantal ‘Nobelisten per capita’, zoals Forbes uitrekende. Alleen het Franse École Normale Supérieure scoort nog beter. Bekende Caltech-namen zijn Albert Einstein, Robert Oppenheimer (‘de vader van de atoombom’) en de grote natuurkundige Richard Feynman.

Sinds juni 2022 loopt een veelbelovende Nederlandse wetenschapper met trots langs de Nobelprijzen die op de universiteit zijn uitgestald. Sophie Hermans, 31 jaar nog maar, houdt zich hier bezig met onderzoek naar quantumcomputers en het quantuminternet, gebaseerd op de principes van de quantummechanica. Het bijzondere aan het quantuminternet is dat het mogelijk is informatie te delen tussen twee punten van een netwerk dat fundamenteel niet kan worden afgeluisterd.

Het Parool bestempelde Hermans als één van de jonge onderzoekers om in de gaten te houden. En dat is niet voor niets. Een belangrijke mijlpaal in het internationale onderzoeksveld van het quantuminternet boekte zij samen met haar collega’s, tijdens haar promotieonderzoek aan de TU Delft. Ze maakte het eerste quantumnetwerkje met drie knooppunten ooit. Een journalist van de Volkskrant volgde het project anderhalf jaar lang. En met haar Eureka-moment haalde Hermans The New York Times.

Grote beloftes

Quantumcomputers en quantuminternet zijn nu nog vooral laboratoriumwerk en toekomstmuziek, maar moeten er in de (verre) toekomst voor zorgen dat het versturen van informatie honderd procent veilig is. Ook zouden bepaalde berekeningen waar een normale computer miljoenen jaren over doet, veel sneller uitgevoerd kunnen worden. Het kan zorgen voor een revolutie voor de computer, het internet, de geneeskunde en de scheikundige wetenschap. "Het onderzoeksveld draagt heel grote beloftes in zich. Ik denk dat dit een enorme impact gaat hebben op de hele maatschappij. De ontwikkeling van deze technologie staat nog helemaal in de kinderschoenen en ik ben trots dat ik mag meebouwen aan het begin", vertelt Hermans.

Zitten er wellicht ook nadelen aan zo’n ‘quantumtoekomst’? "Bij haast elke techniek geldt dat mensen die kwaad willen, die ook kunnen gebruiken voor kwade doelen. En het is zo complex, dat het wellicht niet toegankelijk zal zijn voor iedereen of elk land. Het kan de digitale kloof vergroten. Dat is iets wat we ons nu al moeten realiseren en waar we voor moeten waken."

Eigen biotoop

Pasadena is een voorstad van Los Angeles. Hermans woont er met haar man (een ingenieur) en baby van vijf maanden in een appartementencomplex van de universiteit, waar meer medewerkers wonen. Hermans omschrijft het als een dorp in een grote stad, waar iedereen met elkaar naar het café gaat of in hetzelfde voetbalteam zit. "Het is best een kleine uni, met zesduizend studenten en stafleden, verdeeld over een paar blokken in de stad. We zitten in huisvesting speciaal voor postdocs, op de campus. Het is echt een community en best een bizarre bubbel. Kom je uit onze community, dan zit je ineens in wereldstad Los Angeles, met twaalfbaanssnelwegen (zes bij zes, red.)."

Ze genieten van Californië, waar het ten tijde van het interview twintig graden is met een strakblauwe lucht. Los Angeles bezoeken ze graag. Ook houden ze van de natuurparken in de omgeving. "Er is heel veel te zien, met natuurparken als Yosemite en Joshua Tree. Zelf ben ik al naar Monument Valley en Death Valley geweest. Die parken kende ik eerder vooral van Bassie en Adriaan die daar ook zijn geweest, haha."

Koelkast van -272 graden

Maar het is vooral hard werken op een prestigieuze universiteit. Hermans brengt veel tijd door in het lab. Hier proberen zij en haar collega’s fysieke quantumbits te maken. "Qubits kan je vergelijken met computerbits in een normale computer: een transistor of schakelaar waar de informatie in de vorm van enen en nullen is opgeslagen", legt ze uit. "Maar waar normale computerbits zich houden aan de regels van de klassieke mechanica, gedragen qubits zich volgens de wetten van de quantummechanica." Klassieke mechanica verklaart onder meer hoe objecten om ons heen zich gedragen, zoals appels, ballen, kanonskogels en planeten. Quantummechanica bestudeert zeer kleine deeltjes, zoals elektronen en atomen.

Speciaal voor de qubits staat in het lab een superkoelkast. "Quantumbits werken bij lage temperatuur, dus heb je een heel koude koelkast nodig. Het absolute nulpunt is -273 graden Celsius en deze koelkast wordt slechts 0,5 graad warmer dan dat."

Uiteindelijk hopen de wetenschappers een eerste versie van een quantuminternet te kunnen bouwen. "Daarvoor hebben we allerlei apparatuur in het lab, waar we zelf aan sleutelen en die we aansturen via de computer. Daar zijn we de hele dag mee bezig. De verbinding tussen qubits in verschillende knooppunten van het netwerk maken we met behulp van lichtdeeltjes. Voor het leggen van de verbinding via lichtdeeltjes hebben we een hele hoop spiegeltjes, lasers en elektronica nodig."

Doolhof

Op dit moment is het nog erg lastig om te zeggen op welke termijn de quantumcomputer en het quantuminternet wat gaat betekenen voor de maatschappij. Hermans doet daarom graag aan verwachtingsmanagement. Misschien dat de eerste grote stappen worden gezet over tien jaar, maar het kan ook over veertig jaar zijn. Sterker nog: misschien maakt Hermans het zelf niet meer mee dat consumenten quantumcomputers in huis hebben. "Voorspellingen doen is lastig, want toepassingen van het quantuminternet vormen een onderzoeksveld op zichzelf. Toch is er heel veel interesse in de technologie. Het quantuminternet zou ervoor zorgen dat communicatie fundamenteel veilig is. Dat er niemand meeluistert en het niet is te hacken. Dat is waarom alles en iedereen erop zit, ook grote bedrijven als Google, IBM en Amazon.’

Een andere belangrijke toepassing is het razendsnel maken van bepaalde berekeningen. Een quantumcomputer zou berekeningen tot wel honderd miljoen keer sneller kunnen doen dan een gewone computer. Om uit te leggen hoe dit kan, wordt vaak het ontsnappen uit een doolhof als voorbeeld genomen. Om uit zo’n doolhof te komen test een normale computer elke gang van het doolhof één voor één. De quantumcomputer kan alle gangen tegelijk doorlopen.

Het maakt de quantumcomputer geschikt voor het zoeken naar één ideale oplossing, zo legt Hermans uit. "Een optelsom in een Excelsheet kan een quantumcomputer niet sneller maken dan een gewone computer. Maar stel nu dat jij in de logistiek werkt en wil dat de vrachtwagens van jouw bedrijf zo optimaal mogelijk gebruikmaken van de beschikbare parkeerplekken, waarbij er zo min mogelijk benzine wordt verbruikt. Zo’n optimale berekening kan de quantumcomputer uitstekend voor jou maken. Quantum zal het huidige internet en de computer nooit vervangen; het is een extra toepassing erbovenop."

Wetenschapsrevolutie

Hermans hoopt en verwacht dat ook de wetenschap blijvend beïnvloed zal worden door de quantumtechniek. "De verwachtingen in de wetenschappelijke wereld zijn enorm. Ook hier zijn het voor een groot deel toepassingen waar we waarschijnlijk nu nog niets van weten. Maar het zou bijvoorbeeld kunnen dat telescopen een beter beeld van de ruimte gaan geven en dat we betere medicijnen kunnen ontwikkelen. Maar veel verder dan het doen van zulke voorzichtige voorspellingen wil ik nog niet gaan."

Over haar eigen toekomstdromen is ze concreter. "In de onderzoekswereld geldt het idee dat je wisselt van onderzoeksgroep tot je een eigen onderzoeksgroep opzet. Het is mijn droom zelf professor te worden en richting te geven aan dit onderzoek. Op termijn zou ik dat het liefst doen in Nederland. Het feit dat wij in Delft hebben laten zien het eerste netwerkje ooit te kunnen bouwen, toont aan dat Nederland op wereldniveau meedraait."