Kwantumtechnologie is momenteel een van de spannendste onderzoeksgebieden, omdat het ons in staat stelt grote sprongen voorwaarts te maken op gebieden als communicatie, meettechnologie en computers. Maar wat zijn de technische fundamenten waarop kwantumcomputers of kwantumsensoren zijn gebaseerd? En hoe vertaalt de theorie van de kwantumfysica zich in praktische toepassingen?
Wat is kwantumtechnologie?
Kwantumtechnologie is een zeer theoretisch onderdeel van de natuurkunde (kwantumfysica) dat is gebaseerd op de kwantummechanica. Dit is een natuurkundige theorie waarin onderzoekers de eigenschappen en wetten van toestanden en processen van materie proberen te beschrijven. Het bijzondere is dat deze berekeningen plaatsvinden in het groottebereik van atomen of zelfs daaronder. Kwantummechanica is daarom ook de basis voor het beschrijven van verschijnselen in de atoomfysica.
Kwantummechanica heeft fundamenteel betrekking op materiële objecten. De vraag is hoe deze objecten bewegen onder invloed van krachten en of het daardoor mogelijk is om mogelijke toekomstige toestanden te berekenen. Deze berekeningen leiden al snel tot principes die in tegenspraak zijn met conventionele natuurkundige principes. Daarom wordt het als bijzonder complex en moeilijk te begrijpen beschouwd. Toepassingen van kwantumtechnologie zijn tegenwoordig echter ook te vinden in puur digitale gebieden, zoals cryptografie.
Hoe het allemaal begon
Het begin van de kwantummechanica ligt tussen 1925 en 1932 met ontdekkingen van Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Max Born en anderen. Zij bouwden voort op een “oudere kwantumfysica” waaraan Albert Einstein, Max Planck en Niels Bohr al hadden gewerkt. In die tijd draaide alles om de vraag hoe we de toestand van atomen konden beschrijven.
Bijzondere mijlpalen waren:
- Golfmechanica (Louis de Broglie)
- Matrixmechanica (Werner Heisenberg, Max Born, Pascual Jordan)
- Schrödingervergelijking (Erwin Schrödinger)
- Onzekerheidsprincipe (Werner Heisenberg)
Zelfs als de meeste mensen deze natuurkundige principes niet of slechts op een vage manier zouden kunnen verklaren, zijn hun namen of veelgebruikte uitdrukkingen zoals “Schrödingers kat” zelfs voor leken bekend. De kwantumfysica luidde een nieuwe gouden eeuw van natuurkundig onderzoek in, waaraan vandaag de dag nog steeds onvermoeibaar wordt gewerkt. Ondertussen zijn er nieuwe onderzoeksgebieden ontstaan, zoals kwantumveldentheorie en kwantumelektrodynamica.
Kwantummechanica – hoe werkt het?
Het zou waarschijnlijk een heel boekwerk vergen om kwantummechanica in detail uit te leggen.
Daarom zullen we hier alleen de belangrijkste punten schetsen:
- Kwantumobjecten, golffunctie en golf-deeltje dualiteit: de golffunctie wordt gebruikt om te berekenen hoe een deeltje zich gedraagt. In principe kunnen deeltjesgedrag en golfgedrag onafhankelijk van elkaar worden beschouwd.
- Superpositie: Het is mogelijk voor een kwantumobject om in verschillende toestanden tegelijk te bestaan, wat bekend staat als superpositie.
- Entanglement: Twee of meer objecten kunnen zodanig met elkaar verbonden zijn dat ze elkaar beïnvloeden, zelfs over grote afstanden.
- Kwantumsprongen en onzekerheidsprincipe: Wanneer een elektron in een atoom van de ene toestand naar de andere overgaat (springt) zonder tussenstadia, wordt dit een kwantumsprong genoemd.
- Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg: Hoe nauwkeuriger we de locatie van een deeltje willen meten, hoe vager het wordt. Daarom zijn er alleen waarschijnlijkheden voor berekeningen, geen zekerheden.
Kwantumtechnologie in toepassingen – het voorbeeld van kwantumsensortechnologie
Maar hoe worden uit dit basisonderzoek nieuwe producten ontwikkeld die ook in de industrie kunnen worden gebruikt? Een technologie is immers pas echt ingeburgerd als het theoretische basisonderzoek ook kan worden omgezet in praktische toepassingen en producten – en duidelijke voordelen biedt ten opzichte van andere gevestigde technologieën. Hier bekijken we deze vraag aan de hand van het voorbeeld van kwantum-sensortechnologie: Wat betekenen de hierboven beschreven kwantumfysicaprincipes voor gebruik in sensortechnologie? Welke voordelen hebben kwantumsensoren ten opzichte van conventionele meetapparatuur en wat betekenen ze voor gebruik in industrie en onderzoek?
Golffunctie
De golffunctie staat centraal omdat deze de basis vormt voor de beschrijving en voorspelling van kwantumverschijnselen. Bij kwantumdetectie is het belangrijk om de golffunctie van een systeem te controleren en te manipuleren om nauwkeurige metingen te kunnen doen. De waarschijnlijkheidsamplitudes in de golffunctie geven informatie over hoe waarschijnlijk het is om een deeltje op een bepaalde plaats of in een bepaalde toestand aan te treffen. Deze informatie is cruciaal voor het kalibreren van de gevoeligheid van kwantum sensoren en het bepalen van de optimale meetomstandigheden.
Superpositie
Een kwantumsysteem dat zich in een superpositie bevindt, kan zeer gevoelig reageren op invloeden van buitenaf, zoals magnetische velden, elektrische velden of temperatuurveranderingen. Door de superpositie nauwkeurig te controleren en te meten, kunnen deze externe invloeden zeer nauwkeurig worden bepaald. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van stikstofvacaturecentra in diamant, die dienen als zeer gevoelige sensoren voor magnetische velden.
Op deze manier kunnen zeer gevoelige metingen worden uitgevoerd die met conventionele sensoren niet mogelijk zouden zijn. Kwantummagnetometers kunnen bijvoorbeeld extreem zwakke magnetische velden meten, zoals die worden gegenereerd door elektrische activiteit in de hersenen of het hart, en zo preciezere en niet-invasieve diagnoses stellen met magnetoencefalografie (MEG) of magnetocardiografie (MCG).
Verstrengeling
Verstrengeling is een ander belangrijk mechanisme in kwantum sensortechnologie. Bij verstrengeling blijft de toestand van het ene deeltje gecorreleerd met die van het andere, zelfs als ze ver van elkaar verwijderd zijn. Deze eigenschap wordt gebruikt om extreem gevoelige metingen te doen. Verstrengelde toestanden verhogen de precisie en gevoeligheid van sensoren, omdat ze kwantumruis kunnen verminderen en zo metingen nauwkeuriger maken.
Dit wordt vooral gebruikt in zogenaamde interferometers met lage kwantumruis, die bijvoorbeeld worden gebruikt in de gravimetrie om het zwaartekrachtveld van de aarde te meten. Daar kunnen kwantumgebaseerde meetapparaten de kleinste veranderingen detecteren, wat kan helpen bij het zoeken naar olie-, gas- of mineraalafzettingen of het monitoren van vulkanen en zo nog nauwkeurigere voorspellingen kan doen.
Onzekerheidsprincipe
Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg stelt een limiet aan hoe nauwkeurig bepaalde metingen tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd. In de kwantumsensortechnologie wordt geprobeerd deze grenzen te begrijpen en de meetresultaten te optimaliseren door meetstrategieën te ontwikkelen die kwantumruis minimaliseren en de precisie maximaliseren. In die zin biedt het onzekerheidsprincipe een grens waar onderzoekers naartoe kunnen werken en die hen inspireert om voortdurend nieuwe innovaties te ontwikkelen voor nog nauwkeurigere metingen.
Industrieel levensvatbare producten
Zoals u kunt zien, zijn er veel redenen die de bijzondere voordelen van kwantumgebaseerde meetapparatuur aantonen. Maar zijn er ook producten die vandaag al gebruikt kunnen worden in de industrie? Het antwoord is ja! De eerste producten die marktrijp zijn en de voordelen van kwantumsensortechnologie combineren met producten die geschikt zijn voor industrieel gebruik, komen nu op de markt. Een goed voorbeeld hiervan is de kwantum magnetometer van Quantum Technologies. De bijzonder fijne sensor biedt niet alleen metingen in het nanometerbereik, hij is ook compact en robuust genoeg om te worden gebruikt in complexe omgevingen, zoals in elektrische voertuigen, zonne- en windenergiecentrales of in slimme fabrieken.Kwantumtechnologie vandaag de dag in gebruik
We zien nu al voorbeelden van hoe kwantumtechnologie ons onderzoek, ontwikkeling en productie verbetert, en niet alleen op het gebied van sensortechnologie.
Scanning tunnelling microscopie (tunneling effect)
Scanning tunnelling microscopie wordt gebruikt om de oppervlaktestructuur van materialen op atomair niveau te onderzoeken. Het maakt gebruik van het tunnelingeffect, een centraal fenomeen in de kwantummechanica. Het tunnelingeffect treedt als volgt op: als een uiterst scherpe metalen punt (de “scannende kegel”) heel dicht bij een geleidend oppervlak wordt gebracht (op minder dan 1 nanometer afstand), kunnen elektronen door de kleine opening “tunnelen”, zelfs als de directe overgang zou worden geblokkeerd door een energiebarrière. Dit tunneleffect genereert een meetbare elektrische stroom, de zogenaamde tunnelstroom. De tunnelstroom is sterk afhankelijk van de afstand tussen de tip en het oppervlak. Het veranderen van de afstand met slechts een paar picometer (triljoenste meter) leidt tot een significante verandering in de tunnelstroom. Dit maakt het mogelijk om de atomaire structuur van het oppervlak met hoge precisie in kaart te brengen.
Scanning tunnelling microscopie kan daarom worden gebruikt om halfgeleiders, metalen of nanomaterialen te onderzoeken op de kleinste onregelmatigheden en biedt zo nieuwe mogelijkheden voor micro-elektronica.
Flashgeheugen (tunnelingeffect)
Flashgeheugen is een type niet-vluchtig geheugen dat wordt gebruikt in veel apparaten zoals USB-sticks, SSD’s en geheugenkaarten. Het tunnelingeffect speelt een cruciale rol bij het opslaan en wissen van gegevens. Een geheugen bestaat uit miljoenen transistors die een geïsoleerde laag bevatten (de “zwevende poort”). Op deze zwevende poort kunnen elektronen worden opgeslagen. Om gegevens op te slaan wordt een hoge spanning toegepast, waardoor elektronen door een dunne isolerende laag (oxide) naar de zwevende poort “tunnelen”. De elektronen blijven daar opgeslagen omdat ze ingesloten zijn door de oxidelaag, zelfs als de spanning wordt uitgeschakeld. Wanneer de gegevens worden gewist, wordt de spanning omgekeerd. Hierdoor tunnelen de elektronen terug door de oxidelaag en wordt de zwevende poort ontladen.Flashgeheugens zijn bijzonder duurzaam en betrouwbaar omdat het isolerende effect van de zwevende poort de opgeslagen elektronen gedurende lange tijd beschermt. Ze verbruiken ook weinig energie, omdat er geen energie meer nodig is om de gegevens vast te houden na de opslag. Omdat flashgeheugens veel opslagcapaciteit bieden in een kleine ruimte, zijn ze ook erg compact en daarom ook geschikt voor kleine apparaten zoals smartphones, in slimme voertuigen of andere IoT-apparaten.
Magnetische resonantiebeeldvorming
Magnetic resonance imaging (MRI) wordt al veel gebruikt in de geneeskunde. De beeldvormingsprocedure levert gedetailleerde beelden van de binnenkant van het lichaam en maakt gebruik van fysische principes zoals sterke magnetische velden en radiofrequentiegolven. Achtergrond: Veel atomen in het lichaam, met name de waterstofkernen (protonen) in watermoleculen, hebben een eigenschap die spin wordt genoemd, een soort kwantummechanisch impulsmoment. Een sterke magneet in het MRI-apparaat brengt de waterstofkernen (protonen) in het lichaam op één lijn, die zich gedragen als kleine magneten. Een korte impuls stoot de protonen uit lijn en kantelt ze in een superpositie. Ze beginnen te bewegen en zenden zwakke radiosignalen uit. Vervolgens keren de protonen terug naar hun oorspronkelijke positie. Daarbij zenden ze energie uit die door sensoren wordt gemeten. Omdat verschillende soorten weefsel verschillende signalen genereren, ontstaat er een contrast dat door het apparaat wordt herkend en gecombineerd tot een beeld.
MRI-beeldvorming kan niet alleen de afzonderlijke weefsellagen bijzonder nauwkeurig zichtbaar maken, maar heeft in tegenstelling tot röntgen- en CT-apparaten ook geen straling nodig.
Bose-Einstein condensaat (MAIUS 1 ruimtesonde)
Een Bose-Einstein condensaat (BEC) is een speciale toestand van materie die ontstaat wanneer atomen worden afgekoeld bij extreem lage temperaturen dicht bij het absolute nulpunt. In deze toestand “versmelten” de atomen en gedragen ze zich als één groot deeltje dat zich kwantummechanisch gedraagt. Alle atomen oscilleren bijvoorbeeld synchroon en vertonen collectief gedrag. Bovendien kan een BEC wrijvingsloos bewegen (superfluïditeit) en reageert het bijzonder sterk op de kleinste invloeden van buitenaf, zoals krachten en velden. Dit maakt ze bijzonder interessant voor precisiemetingen en experimenten in de kwantumfysica.
De ruimtesonde MAIUS1 werd in 2017 de ruimte in gelanceerd. De wetenschappers zijn erin geslaagd om een Bose-Einstein condensaat in de ruimte te creëren en het te gebruiken voor interferometrie-experimenten. Deze vondst is cruciaal voor gebruik in de ruimtevaart en in toekomstige wetenschappelijke experimenten. Het succes van de missie heeft de weg vrijgemaakt voor nieuwe experimenten met BEC’s in de ruimte en kan op lange termijn toepassingen mogelijk maken in navigatie, geodesie en onderzoek naar fundamentele fysica. De MAIUS2 ruimtesonde werd in december 2023 de ruimte in gelanceerd met als missie het creëren van een Bose-Einstein condensaat uit twee verschillende atoomsoorten (rubidium en kalium).
Kwantumcryptografie & kwantumcomputing
Kwantumcryptografie maakt gebruik van de wetten van de kwantummechanica om informatie absoluut veilig te versleutelen. Een versleutelde sleutel wordt via kwantumtoestanden verzonden. Dankzij de kwantummechanica kan informatie niet worden onderschept (afgeluisterd) zonder de gegevens te veranderen, wat onmiddellijk herkenbaar is. Vooral in zakelijke gebieden en industrieën waar gevoelige gegevens worden beheerd, zoals de financiële sector, verzekeringsmaatschappijen of de gezondheidszorg, wordt kwantumcryptografie gezien als een nieuwe mijlpaal in de bescherming tegen fraude en cyberaanvallen.
Kwantumcomputing heeft de afgelopen maanden ook het nieuws gehaald met nieuwe ontwikkelingen en producten, vooral als het gaat om kwantumcomputers. Deze werken niet langer met bits, maar met qubits. Qubits kunnen niet alleen 0 of 1 zijn, maar ook beide toestanden tegelijk aannemen door superpositie. Voordelen: Kwantumcomputers maken gebruik van kwantumverstrengeling en parallelle verwerking. Hierdoor kunnen ze bepaalde problemen, zoals cryptografie of materiaalonderzoek, veel sneller oplossen dan conventionele computers. Vooral bedrijven als IBM en Google spelen een pioniersrol met hun kwantumcomputers en jagen de ontwikkeling aan. Google presenteerde bijvoorbeeld pas in december een nieuwe kwantumchip. Deze chip zou de rekensnelheid van alle computers die momenteel beschikbaar zijn ver overtreffen. De nieuwe chip van Google heeft minder dan vijf minuten nodig voor een benchmarkberekening waar de snelste supercomputers die momenteel beschikbaar zijn ongeveer tien septiljoen jaar over zouden doen (een tijdspanne die de leeftijd van het universum zou overtreffen). Op dit moment zijn kwantumcomputers echter nog enigszins gevoelig voor fouten. Dit komt voornamelijk door de gevoeligheid van de qubits en de fysieke beperkingen van de huidige hardware. Pas wanneer bedrijven stabielere qubit-technologieën hebben ontwikkeld en fouten betrouwbaar kunnen vermijden of corrigeren, zullen kwantumcomputers klaar zijn om opgeschaald te worden voor wijdverspreid gebruik.
Kwantumteleportatie
Kwantumteleportatie is een kwantummechanisch proces waarbij de toestand van een deeltje (bijvoorbeeld een foton of atoom) van de ene locatie naar de andere wordt overgedragen zonder dat het deeltje zelf door de ruimte reist. Het gaat dus niet om het “stralen” van een object, maar eerder om de precieze overdracht van informatie over de toestand van een deeltje.
Kwantumteleportatie maakt dus een veilige uitwisseling van kwantumtoestanden mogelijk, wat essentieel is voor toekomstige kwantuminternetwerken. In een kwantuminternet kan informatie op een verstrengelde en afluisterbestendige manier worden overgedragen. Bovendien kunnen verstrengelde toestanden op deze manier ook over lange afstanden worden getransporteerd. Kwantumteleportatie speelt ook een belangrijke rol in kwantumcomputing: het helpt om qubits over te brengen tussen verschillende delen van een kwantumcomputer zonder hun gevoelige toestanden te vernietigen.
Supergeleiders (onder andere nodig voor kernfusiecentrales)
Supergeleiders zijn materialen die boven een bepaalde temperatuur (overgangstemperatuur) hun elektrische weerstand volledig verliezen. Dit betekent dat ze elektriciteit kunnen geleiden zonder energieverlies. Supergeleiding treedt op wanneer de elektronen in het materiaal zogenaamde Cooperparen vormen, die zonder weerstand door het rooster van het materiaal bewegen. Er wordt momenteel onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van supergeleiders voor kamertemperatuur om de technologie geschikt te maken voor andere doeleinden.
In fusiecentrales spelen supergeleiders een cruciale rol bij het opwekken en regelen van de extreem sterke magnetische velden die nodig zijn voor fusie. In fusiereactoren wordt bijvoorbeeld heet plasma (temperaturen van meer dan 100 miljoen graden) gegenereerd, waarin de fusie van waterstofisotopen (bijv. deuterium en tritium) plaatsvindt. Het plasma is zo heet dat het niet in contact mag komen met wanden. Daarom wordt het ingesloten en in suspensie gehouden door sterke magnetische velden. Deze magnetische velden worden opgewekt met supergeleidende spoelen, omdat hiervoor zeer hoge stromen nodig zijn die met normale geleiders enorme energieverliezen zouden veroorzaken.
Een ander belangrijk punt is de energie-efficiëntie: supergeleiders maken het mogelijk om de magnetische velden op te wekken zonder warmteverlies, wat de energie-efficiëntie van de fusiecentrale aanzienlijk verhoogt. Zonder supergeleiders zouden de energieverliezen zo hoog zijn dat de exploitatie van een fusiecentrale niet rendabel zou zijn.
Theorie wordt werkelijkheid
Wat ongeveer 100 jaar geleden begon met de vraag hoe we de toestand van atomen konden beschrijven, luidde een paradigmaverschuiving in de natuurkunde in en veranderde de manier waarop we onze wereld begrijpen en beschrijven. Vandaag de dag is kwantumtechnologie uitgegroeid tot een bloeiende discipline in het natuurkundig onderzoek. Het is nu de taak van thought leaders om de resultaten op dit gebied in de praktijk te brengen en verder te brengen.
Misschien ben je ook geïnteresseerd in deze artikelen over het onderwerp kwantumtechnologie:
Interview: Robert Staacke van Quantum Technologies over de toekomst van kwantum sensortechnologie
