België dreigt kwantumtrein te missen

De Nederlandse koning Willem-Alexander woonde in februari de opening bij van het Microsoft Quantum Lab Delft op de campus van TU Delft. ©ANP

Of het nu om computers, communicatienetwerken of sensoren gaat: zet er ‘kwantum’ voor en je hebt de technologie van de toekomst. Wereldwijd wordt door overheden en bedrijven fors geïnvesteerd in deze revolutionaire technologie. Maar niet in ons land. ‘Er is nood aan een wake-upcall.’

Vorige maand opende de Nederlandse koning Willem-Alexander plechtig het Microsoft Quantum Lab op de campus van de TU Delft. In dat labo werkt de Amerikaanse softwaregigant met onderzoekers van de universiteit en van andere bedrijven aan de ontwikkeling van een kwantumcomputer, een apparaat dat onze huidige computers degradeert tot een telraam. Ondertussen wordt enkele tientallen kilometers naar het noorden, in het Science Park in Amsterdam, de software voor die revolutionaire computer geschreven. Tegelijkertijd werken de Amsterdamse en Delftse onderzoekers aan een heus kwantuminternet dat beide campussen moet verbinden.

Kwantumcomputers voor dummies

Computers werken klassiek met bits, die data opslaan als een 0 of een 1. Een kwantumcomputer werkt, volgens de wetten van de kwantummechanica, met kwantumbits of qubits. Anders dan een bit bezit een qubit de tijdelijke eigenschap dat hij tegelijk een 0 én een 1 kan zijn, een ‘superpositie’ in het jargon. Zo’n computer kan dus exponentieel meer data verwerken en veel krachtiger berekeningen doen. Twee qubits kunnen vier combinaties vertegenwoordigen, drie qubits acht, enzovoort. Als je 300 qubits combineert, krijg je een getal van 2 tot de macht 300, groter dan het geschatte aantal atomen in het gekende universum.

 

Wordt Delft of Amsterdam straks de kwantumhoofdstad van Europa, zoals sommige Nederlandse kranten jubelden? Dat valt te bezien, want de concurrentie is bikkelhard. In andere landen is het tegenwoordig al kwantum wat de klok slaat. Duitsland zet, behalve op kwantumcomputers, sterk in op kwantumoptica en -fotonica. Vorig jaar besliste de regering in Berlijn nog om 650 miljoen euro extra uit te trekken boven op de 100 miljoen euro die het kwantumonderzoek jaarlijks al krijgt. Hetzelfde verhaal in Frankrijk, waar het ene na het andere kwantumcentrum verrijst.

Baanbrekend

IBM Q System One, een geïntegreerd quantum computersysteem, wordt geassembleerd in Milaan. ©IBM

Het zijn trouwens niet alleen de grote landen die baanbrekend onderzoek doen. Oostenrijkse fysici maken bijvoorbeeld al jaren het mooie weer met hun (bizarre) experimenten rond kwantumverstrengeling. En in Zwitserland schieten de kwantumspin-offs als paddenstoelen uit de grond. Het Alpenland profiteert natuurlijk ook van het onderzoekslab van IBM in Zürich, waar de firma een kwantumcomputer bouwt. ‘Zelfs landen met kleine onderzoeksbudgetten doen mee’, zegt Tommaso Calarco, kwantumfysicus aan de universiteit van Ulm en een van de coördinators van het Europese Quantum Flagship-programma. ‘Hongarije spendeert over een periode van vijf jaar 11 miljoen euro aan eigen kwantumonderzoek. Daardoor staan Hongaarse onderzoekers straks sterker als ze willen deelnemen aan grote Europese projecten.’

In België is de financiering van het wetenschappelijk onderzoek vastgeroest. Het is zeer moeilijk om fondsen los te krijgen voor een nieuw domein.
Milos Nesladek
Onderzoeker Universiteit Hasselt en Imec

Dat de titel van kwantumhoofdstad niet naar Brussel zal gaan, lijkt wel zeker. Zowel Belgische als buitenlandse kwantumwetenschappers zijn het erover eens: ons land hinkt serieus achterop.‘Schrijnend’, noemt Christian Maes, hoofd van het Instituut voor Theoretische Fysica van de KU Leuven, de situatie. ‘We lopen jaren achter. Sterker, het lijkt wel alsof we niet eens zijn begonnen.’ Calarco zegt dat hij het nauwelijks kan geloven. ‘Brussel wordt nog altijd gezien als de wieg van de kwantummechanica, de plek waar het begin vorige eeuw allemaal begon en waar de eerste kwantumrevolutie zijn beslag kreeg.’

Revolutie

De eerste Solvay-fysicaconferentie in 1911. Ernest Solvay zit neer, derde van links, Albert Einstein staat recht als tweede van links, Marie Curie zit neer als tweede van links. ©Science Photo Library

Die eerste revolutie maakte voorgoed komaf met de klassieke fysica, waarin materie en licht twee verschillende zaken waren met aparte wetten. Het concept kwantum maakte zijn intrede als kleinste eenheid van energie. Tijdens de beroemde Solvay-conferenties in Brussel gaf het kruim van de natuurkundewereld gestalte aan de kwantumfysica. De belangrijkste bijeenkomst was wellicht die van 1927, toen onder auspiciën van Albert Einstein, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger en Hendrik Lorentz de kwantummechanica het licht zag. Die theorie lag niet alleen aan de basis van de transistor (en dus van de computerchip), maar ook van de laser en tal van andere moderne technologieën.

De huidige, tweede, kwantumrevolutie geraakt niet uit de startblokken – althans niet bij ons. ‘Ze is eigenlijk al stilletjes bezig sinds de jaren 1980, toen de bizarre gedachte-experimenten uit de kwantummechanica plots konden worden uitgevoerd op een optische tafel’, vertelt Maes. ‘Sindsdien zijn we in staat om individuele subatomaire deeltjes te manipuleren en te controleren. Daardoor zijn we een wereld binnengetreden die grondig verschilt van de 20ste-eeuwse fysica.’ Het is precies die nieuwe fysica die nu de kern vormt van (soms fel gehypete) toepassingen als razendsnelle kwantumcomputers, hypergevoelige kwantumsensoren en kwantumnetwerken met een onkraakbare versleuteling.

Grafeen

Europa heeft al begrepen dat het niet aan de zijlijn kan blijven staan en het initiatief aan de Amerikanen en Chinezen kan laten. Eind vorig jaar werd daarom het ‘Quantum Technologies Flagship’ gelanceerd, een ambitieus programma dat het kwantumonderzoek in de EU de komende tien jaar moet ondersteunen met (minstens) 1 miljard euro. De Europese Commissie startte al vergelijkbare vlaggenschepen op voor grafeenonderzoek en voor de studie van het menselijke brein.

Deze Belgische onderzoeksgroepen werken mee aan het Europese Flagship-programma
  • Universiteit Gent/Imec: In het Uniqorn-project wordt de miniaturisering onderzocht van kwantumsystemen, om hun architectuur op hetzelfde (micro)niveau te brengen als de huidige conventionele technologie. Hiervoor worden technieken uit de fotonica (waaronder glasvezeltechnologie) van stal gehaald.
  • UHasselt/Imec: In het Asteriqs-project wordt met kwantumsensoren geëxperimenteerd die gemaakt zijn uit ultrazuivere, artificiële diamant. De sensoren kunnen de kleinste variaties meten in elektromagnetische velden. Toepassingen lopen uiteen van batterijtechnologie over microbiologische analyses tot medische diagnostiek.
  • KU Leuven/ULB: In het Qrange-project worden kwantumfysische toevalsgenerators onderzocht en ontwikkeld. Toevalsgetallen zijn cruciaal in de cryptografie. De beveiliging van een versleuteld bericht hangt immers af van de willekeurigheid van de getallen waarmee de sleutels zijn opgebouwd.

 

Met zo’n budget zou je verwachten dat een land als België, dat een stevige wetenschappelijke reputatie heeft, de projectsubsidies vlotjes binnenhaalt. Maar het tegendeel is waar. Van de twintig startprojecten van het Flagship hebben er maar drie een Belgische partner (zie inzet), terwijl achter de meeste projecten een groot consortium schuilgaat van tientallen kennisinstellingen en privébedrijven.

Vacuüm

Een van de Belgische partners is de groep van de kwantumfysicus Milos Nesladek, verbonden aan de Universiteit Hasselt en het Leuvense onderzoekscentrum Imec. Nesladek, die recent nog hoge ogen gooide met een artikel over zijn diamanten kwantumbits in het topvakblad Science, deelt de verzuchtingen. ‘De EU heeft begrepen dat het een tandje moet bijsteken in het kwantumonderzoek, net als de meeste lidstaten. Zo gaat dat met beloftevolle, opkomende technologieën. Maar in België is de financiering van het wetenschappelijk onderzoek vastgeroest. Het is zeer moeilijk om fondsen los te krijgen voor een nieuw domein.’

Maes wijst op het verschil tussen de theoretische kwantumfysica en het experimentele en toegepaste luik. ‘Op theoretisch gebied zijn vooral mensen met moderne ideeën belangrijk, en op dat vlak zijn we in ons land niet slecht bedeeld. Experimenteel hebben we wel wat expertise in de lage-temperatuurfysica, maar voorts zitten we grotendeels in een vacuüm. Als je in ons land een willekeurig labo binnenstapt – en het maakt niet uit of dat in Vlaanderen, Brussel, of Wallonië ligt – dan is de kans miniem dat je iets van moderne kwantumfysica tegenkomt. Dat is in onze buurlanden ondenkbaar.’

Superkoeling

Volgens Maes en Nesladek ontbreekt het in België en Vlaanderen aan systematische financiering van infrastructuur. Waarom komt die er niet? Hans Willems, de secretaris-generaal van het Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek, verwijst naar twee Vlaamse onderzoeksgroepen die recent nog bijkomende Europese steun ontvingen in het kader van een zijprogramma van het Flagship. Eén ervan is de Hasseltse groep van Nesladek, de andere die van de Gentse theoreticus Frank Verstraete. In totaal ging het om een ondersteuning van ruim 750.000 euro. Niet slecht, maar een structurele financiering is het niet.

Brussel wordt nog altijd gezien als de wieg van de kwantummechanica, de plek waar het begin vorige eeuw allemaal begon en waar de eerste kwantumrevolutie zijn beslag kreeg.
Tommaso Calarco
Kwantumfysicus aan de universiteit van Ulm en coördinator van het Quantum Flagship-programma

Daarnaast vermeldt Willems nog de prille samenwerking tussen Imec en zijn Franse tegenhanger CEA-Leti. Moeten we heil zoeken bij semi-publieke instellingen? ‘We zijn nu bezig met de opbouw van onze infrastructuur, onder andere van de superkoeling voor onze kwantumbits’, zegt Iuliana Radu, verantwoordelijk voor het kwantumprogramma bij Imec. De Leuvense onderzoekers hebben ook meegedongen naar Europese projectsubsidies, helaas zonder succes. Het lijkt dus wat vroeg om al iets te zeggen over de kwantumambities van Imec.

Wake-upcall

Wat kunnen de overheden in ons land doen? Maes: ‘Zonder ambitie van bovenaf komen we er niet. Ik denk dat we nood hebben aan een wake-upcall, eventueel in de vorm van een kwantumagenda. Intussen zetten we best in op onze kwantumwetenschappers, en op niches zoals het onderzoek van professor Nesladek.’ Die laatste ontwaart een kip-en-eiprobleem: ‘Het is de overheid die het eerst moet bewegen, met gerichte acties zoals in andere landen. Anders geraken we er niet uit.’

Lees verder

Advertentie
Advertentie

Gesponsorde inhoud

Partner content