Wat quantumtechnologie vandaag al betekent voor de publieke sector

Maatschappelijke toepassingen van quantumtechnologie zijn geen belofte voor de verre toekomst. De overheid kan er vandaag al mee aan de slag, bijvoorbeeld voor betere drinkwaterkwaliteit met quantumsensoren, voor veiliger dataverkeer met quantum key distribution (QKD) en voor toepassingen van quantum-annealing voor complexe planningsvraagstukken.

Als het om quantumtechnologie gaat, zijn doorgaans alle ogen gericht op de ontwikkeling van quantumcomputers waarbij Nederlandse kennisorganisaties en bedrijven wereldwijd een belangrijke rol spelen. Hoewel de ontwikkeling snel gaat, duurt het volgens de experts zelf nog vele jaren voor de benodigde hardware geschikt is voor maatschappelijke toepassingen.

Quantumtechnologie omvat echter veel meer dan de quantumcomputer, zoals quantum-sensing, quantum-internet en quantumannealing. Die technologieën worden al in de praktijk toegepast of zijn daar binnen enkele jaren geschikt voor. Quantum-sensing bijvoorbeeld berust op eigenschappen uit de quantum-mechanica en levert extreem gevoelige en nauwkeurige sensoren op.
Volgend jaar al wil het waterbedrijf Evides een pilot uitvoeren waarbij het quantumsensoren inzet om verontreinigingen in de Maas op te sporen. Deze rivier is de bron van water voor Evides.

Snel en accuraat meten

Waterbedrijf Evides gaat een pilot uitvoeren met quantumsensoren om verontreinigingen in de Maas op te sporen. Als het water minder vervuild een spaarbekken binnenkomt, scheelt dat zuiveringsstappen. Worden schadelijke stoffen in de Maas aangetoond, dan kan waterbedrijf Evides het vullen van de spaarbekkens in de Biesbosch tijdelijk sluiten om de verontreinigingspiek te laten passeren.

‘Als je sneller en accurater kan meten, kun je het venster waarbinnen je stopt met innemen, verkleinen’, zegt Rob van der Leer, hoofd waterkwaliteit bij Evides. Quantumsensoren zijn bovendien in staat continu te meten en leveren daarmee een veel nauwkeuriger beeld van wat er in de rivier passeert, dan de periodieke bemonstering.

Extreem gevoelige quantumsensoren

Er zijn ook al praktijkprojecten met quantumsensoren bij overheden. Zo werkt de Hogeschool van Amsterdam, samen met onder meer energiebedrijf Alliander en Port of Amsterdam, aan een methode voor het in kaart brengen van ondergrondse leidingen en kabels met de inzet van quantum-sensing. Daardoor kan bij graafwerkzaamheden de vaak kostbare schade aan de infrastructuur worden voorkomen. Bovendien verlicht deze aanpak de druk op schaars personeel.

Quantum Key Distribution

Een andere toepassing van quantumtechnologie is het veilig uitwisselen van encryptiesleutels, ook wel Quantum Key Distribution genoemd (QKD). Encryptiesleutels zijn nodig om gegevens veilig over het internet te versturen. Sinds een paar jaar is vrijwel al het dataverkeer over internet versleuteld zodat het niet zomaar kan worden afgetapt. De sleutels zijn nu, zelfs met de krachtigste computers, eigenlijk niet te kraken. Als echter straks quantumcomputers beschikbaar komen, is veel van de huidige versleuteling erg kwetsbaar. Daarvoor worden nu nieuwe versleutelingsmethoden ontwikkeld (post-quantum cryptografie of PQC). Daarnaast biedt quantumtechnologie zelf ook een methode om veiligere encryptiesleutels te maken en te versturen (Quantum Key Distribution of QKD) die in theorie onkraakbaar is, zelfs met een quantumcomputer.

Verschillende bedrijven zoals het Nederlandse Q8Bird, het Italiaanse ThinkQuantum en het Spaanse LuxQuanta leveren al daadwerkelijk apparatuur waar dit mee kan, en overheden, financiële instellingen, telecombedrijven en datacentra gebruiken ze al.

‘Ik denk dat de overheid een logische eindgebruiker is van QKD’, zegt Teun van der Veen, senior consultant ICT Networks bij TNO. Hij doelt op de vaak gevoelige informatie waar de overheid mee werkt en de impuls die de overheid kan geven als een van de eerste klanten in een prille markt.

National Quantum Netwerk

Van der Veen is betrokken bij het opzetten van het Nederlandse Nationale Quantum Netwerk, mogelijk een voorloper van het quantuminternet. Het is onderdeel van het grotere European Quantum Communication Infrastructure Initiative, waarin verschillende lidstaten zo’n eigen testnetwerk bouwen. Die infrastructuur is bedoeld om straks door heel Europa met de hoogste vertrouwelijkheid te kunnen communiceren. ‘Het verkeer over een enkelvoudige verbinding tussen twee punten is nu met QKD technisch makkelijk te realiseren’, stelt Van der Veen. ‘Het probleem is dat de afstand tussen die twee punten nu nog beperkt is tot 100 of maximaal 200 kilometer.’

Schakelpunten

Om het verkeer verder te brengen zijn vertrouwde schakelpunten (trusted nodes) nodig, waar de quantum-versleuteling op het dataverkeer bij aankomst vervalt. Vervolgens wordt het verkeer op het aansluitende traject opnieuw versleuteld met QKD. Communicatie tussen trusted nodes in een aards netwerk heeft de genoemde afstandsbeperking, maar TNO werkt ook aan quantum-communicatie met satellieten die over grotere afstanden kan plaatsvinden. Door steeds meer van die trusted nodes met elkaar te verbinden ontstaat een quantumnetwerk. ‘Quantum-internet gaat nog een stap verder: Dan heb je naast zenders en ontvangers ook quantumrepeaters nodig, maar dat is een wetenschappelijke uitdaging op zich.’

Diensten optimaliseren

Een derde toepassing van quantumtechnologie die al wordt toegepast, heet quantum-annealing. Dit is eigenlijk een variant van quantumcomputing. In tegenstelling tot een reguliere quantumcomputer, is een quantum-annealer slechts voor een beperkt type taken geschikt, namelijk het oplossen van optimalisatieproblemen. Denk aan efficiënt inroosteren van personeel in een grote organisatie waarbij rekening gehouden moet worden met een groot aantal variabelen. Air France KLM bijvoorbeeld onderzoekt samen met TNO of dit in praktijk is toe te passen. Ook voor het efficiënt verdelen van stroom over elektriciteitsnetten of het optimaliseren van communicatienetwerken wordt deze aanpak onderzocht.

Overheden zouden quantum-annealing bijvoorbeeld kunnen gebruiken voor het verdelen van schaarse middelen over verschillende projecten of regio’s met als doel de maatschappelijke impact of efficiëntie te maximaliseren. Ook voor het plannen van afvalophaalroutes of inspectierondes, of het indelen van gemeenten in wijken of clusters voor bijvoorbeeld stemlokalen of wijkteams, is quantum-annealing heel geschikt.

Inzet quantumsensoren voor Defensie

Reinier Tan, senior wetenschappelijk medewerker bij TNO, werkt aan toepassingen van quantumsensoren voor Defensie. Door hun extreme gevoeligheid kunnen ze bijvoorbeeld de aanwezigheid van mijnen, tunnels of onderzeeërs opsporen door kleine veranderingen te detecteren in het magnetisch veld. Hij legt uit waarom quantumsensoren zo gevoelig zijn. ‘Klassieke sensoren zijn gevoelig voor externe factoren zoals temperatuur of druk.

Als de temperatuur verandert, verandert de sensor een beetje en meet je dus iets anders. Quantumsensoren hebben hier geen last van. Ze maken direct gebruik van de eigenschappen van atomen en licht en kunnen zo metingen uitvoeren met ongekende gevoeligheid.’

De extreme gevoeligheid van quantumsensoren is in de praktijk echter niet altijd te gebruiken. ‘In een laboratoriumomgeving kun je heel geïsoleerd werken. Maar als je mijnen wilt detecteren in een omgeving met veel ruis, heb je niks aan die extreme gevoeligheid. Dan is de omgeving de beperkende factor, niet de sensorruis.’ Toch zijn er al bruikbare quantum-gebaseerde magnetometers ontwikkeld die niet groter zijn dan een balpen. Die bevatten het complete systeem, dus het sensorgas, de laser, de detector, een RF-antenne en de stroomvoorziening. ‘Moderne magnetometers hebben een verbruik van maar een paar watt’, zegt Tan.

Dit artikel werd ook gepubliceerd in iBestuur Magazine #55 van juni 2025
Nog geen (gratis) abonnement? Klik HIER

Lees ook: