De kwantumcomputer komt eraan – en die zal de wereld veranderen. En dat allemaal dankzij een kwieke honderdjarige: de kwantumfysica.
In juni is de kwantumfysica exact honderd jaar oud. Maar dat is niet de enige reden waarom de Verenigde Naties 2025 uitriepen tot ‘International Year of Quantum Science and Technology‘. We zitten namelijk volop in een nieuwe kwantumrevolutie. Nu wetenschappers in staat zijn individuele atomen te manipuleren via hoogstaande kwantumtechnologie, lijkt de komst van kwantumcomputers slechts een kwestie van tijd. En zulke computers doen onze meest geavanceerde supercomputers verbleken.
De ontdekking van de kwantumfysica, die de wereld op de allerkleinste schaal beschrijft, was het begin van een nieuwe kijk op de natuur. Deeltjes kunnen zich op twee plaatsen tegelijk bevinden, of zelfs verstrengeld raken, ook al zijn ze ruimtelijk kilometers van elkaar gescheiden. Bovendien zijn de uitkomsten van experimenten niet meer precies te voorspellen, maar worden ze bepaald door waarschijnlijkheden. Het ontlokte een kritische Albert Einstein de woorden: ‘God dobbelt niet’. Ironisch genoeg kreeg net hij de Nobelprijs voor zijn bijdrage aan de prille kwantumfysica.
De notoir onvatbare wetenschap vormt de basis van zowat alle moderne technologie: van lasers en transistoren tot levensreddende medische beeldvorming en stralingstherapie. Zelfs onze energievoorziening kan niet zonder: geen zonnepanelen of kernenergie zonder kennis van de onderliggende kwantumfysica.
Amerikaanse techgiganten voelen de Chinese adem in hun nek. Een nieuwe wedloop is aan de gang.
Als ze zo alomtegenwoordig en actueel is, waarom weten dan zo weinig mensen wat die kwantumtheorie inhoudt? Dat vroeg kwantumfysicus en ingenieur Frank Verstraete (UGent en University of Cambridge) zich af, toen hij de vraag kreeg om er een boek over te schrijven. Maar al snel ontdekte hij dat het niet is omdat je alles van iets kent, dat je het helder kunt uitleggen. En dus hielp Céline Broeckaert – theatermaakster, schrijfster en lid van Verstraetes fietsclub – hem om kwantum verstaanbaar te maken.
Het begon bij een gezamenlijke fietstocht van meer dan 200 kilometer en eindigde in een boek. Zonder de gebruikelijke wiskunde, maar met gedichten en tekeningen. Waarom niemand kwantum begrijpt en iedereen er toch iets over moet weten verscheen in 2023 en werd een bestseller. Er zijn al meer dan 20.000 exemplaren verkocht.
Weten of niet-weten?
Toen Verstraete tijdens die fietstocht over zijn passie vertelde, was Broeckaert meteen gefascineerd. ‘Maar,’ zegt ze, ’tegelijk was ik een beetje beschaamd: er bestond zo’n grote kenniswereld waar ik niets van wist.’
Nochtans, zo schrijft ze in de inleiding van het boek, is niemand verplicht om iets over kwantumfysica te weten. Je kunt perfect functioneren zonder die kennis. Maar mét die kennis gaat er een wereld voor je open, aldus Broeckaert. ‘Waarom is de materie hard, waarom zakken wij niet door een stoel? Dat zijn vragen waar we nooit bij stilstaan. Maar als je weet hoe kleur ontstaat, hoe een supergeleider werkt, hoe lasers en heel onze informatietechnologie werken, dan maakt dat alles nog veel boeiender en rijker.’
Die dualiteit tussen weten en niet-weten schudde Broeckaert wakker. Toen Verstraete haar vroeg om samen een boek te schrijven, twijfelde ze geen moment. Hij was onder de indruk van de vragen die ze stelde. Zij had dan weer moeite met zijn wiskundige benadering en liep geregeld vast: ‘Af en toe moest ik hem duidelijk maken: “Voor jou is dat allemaal zeer evident, maar voor mij is het dat niet.” Ik ben ook een paar keer heel boos geworden. Frank moest vaak zeggen: stop met te proberen om alles te begrijpen. Zeker in de kwantumfysica kun je onmogelijk alles begrijpen. Op een gegeven moment moet je gewoon accepteren: zo is het. En dan moet je voort.’
Het is net die nieuwe manier van denken die de kwantumfysica kenmerkt. Onze intuïtie is gebaseerd op de natuurwetten waar we in ons dagelijks leven mee in contact komen. Een bal trappen, met de wagen rijden: allemaal voorbeelden waarbij kwantum geen rol speelt. Geen wonder dus dat we geen gevoel hebben ontwikkeld voor kwantum. Maar op de kleinste schalen gelden andere regels. Die kun je wel vatten in begrippen en formules, maar niet met alledaags verstand. Broeckaert: ‘Je moet je intuïtie uitschakelen en een andere manier van denken aanvaarden.’
Intussen zijn Verstraete en Broeckaert getrouwd: hun levens raakten net als die van kwantumdeeltjes verstrengeld. Broeckaert: ‘We hebben datzelfde gevoel voor schoonheid. We willen kennis overbrengen, elk op onze eigen manier.’
Wie maakt de beste chips?
Verstraetes onderzoek ligt mee aan de basis van een van de meest tot de verbeelding sprekende hedendaagse ontwikkelingen: de kwantumcomputer. Een traditionele computer werkt met bits: elektrische signalen die ‘0’ of ‘1’ voorstellen. Een kwantumbit of qubit daarentegen kan zich in beide toestanden tegelijk bevinden. Dat lijkt een onschuldige verandering, maar met slechts een bescheiden aantal qubits kun je gigantische berekeningen uitvoeren. Zo kunnen honderd qubits wel twee tot de honderd berekeningen parallel uitvoeren, dat zijn er meer dan er sterren zijn in het zichtbare heelal.
In 2019 claimde Google quantum supremacy: zijn chip Sycamore zou in luttele minuten berekeningen kunnen maken waar een klassieke computer duizenden jaren voor nodig heeft. Is de kwantumcomputer daarmee een feit? Nog niet helemaal, zegt professor Kristiaan De Greve (KU Leuven), directeur Quantum Computing bij imec, het Leuvense onderzoekscentrum dat geavanceerde chiptechnologie ontwikkelt. ‘We zitten in een wereldwijde transitie. Kwantumchips zijn de academische laboratoria stilaan ontgroeid, maar ze zijn nog niet productierijp.’
‘In de kwantumfysica kun je onmogelijk alles begrijpen. Op een gegeven moment moet je accepteren: zo is het. En dan moet je verder.’
Imec bouwt aan die brug. ‘Imec is een translator tussen ideeën van universiteiten en de volledige fabricatie in de industrie’, zegt De Greve. Samen met grote spelers in de halfgeleiderindustrie ontwikkelt imec nieuwe en betere processen, tot wel tien jaar voor ze in productie gaan. Zo werd veel van de technologie die vandaag in onze laptop of smartphone zit jaren geleden bij imec ontwikkeld. Sinds 2017 past het die kennis toe op kwantumchips, in nauwe samenwerking met topinstituten wereldwijd.
‘Wij maken inhouse intussen een aantal van de beste qubits ter wereld’, zegt De Greve. ‘Staan we verder dan Google? Nee. Maar sommige onderdelen die wij bouwen, zijn wel beter dan wat Google nu heeft.’
Kamervullende koelkast
Toch zijn er nog veel obstakels. Een werkende kwantumcomputer vraagt duizenden perfecte qubits, maar door verlies en interferentie gaat veel rekenkracht verloren. ‘Als wereldwijde gemeenschap zitten we nu op tientallen tot honderden qubits, maar voor een volledig systeem heb je er miljoenen nodig.’ Vooral de foutencorrectie is een zware dobber. ‘Hoe debug je duizend qubits? Dat is diep theoretisch werk.’
Een krachtige kwantumcomputer komt er volgens De Greve pas binnen twintig jaar. Want er zijn ook praktische uitdagingen. Zo’n kwantumsysteem moet extreem geïsoleerd worden om te kunnen werken. De Greve: ‘Als je dat systeem nog maar aanraakt, verstoor je het.’
Dat leidt tot een paradoxale situatie: hoe kun je het resultaat uitlezen zonder het systeem te verstoren? ‘Omdat je moet kunnen isoleren en dan aanschrijven, heb je een vacuüm en een extreem lage temperatuur nodig.’ Voor de beoogde miljoenen qubits, spreek je dan al gauw over een kamervullende cryogene koelkast. Een desktopversie is volgens De Greve dan ook onwaarschijnlijk. Een extrapolatie over twintig jaar of meer is altijd voorbarig, maar volgens hem zal zo’n apparaat eerder lijken op een supercomputer: groot, gespecialiseerd, op afstand te bedienen.
Maar de toepassingen blijven indrukwekkend. Kwantumcomputers blinken uit in het aftasten van ontiegelijk veel mogelijkheden tegelijk. Hun verwachte meerwaarde in logistiek, nieuwe materialen, de financiële sector of de ontwikkeling van nieuwe medicijnen valt niet te onderschatten.
Volgens de Quantum Technology Monitor van McKinsey kan de economische bijdrage van kwantumtechnologie (met kwantumcomputers, maar ook kwantumsensoren en -communicatie) al in 2035 zo’n 0,9 tot 2 biljoen dollar bedragen, dat is 1 tot 2 procent van de totale wereldhandel. De afgelopen jaren leerden we artificiële intelligentie kennen als een bijzonder brede technologie, kwantumtechnologie zal de diepe rekenkracht bieden die AI complementeert.
De rol van de trekvogel
Intussen groeit een ander domein in relatieve stilte: de kwantumbiologie. Recent interdisciplinair onderzoek toont hoe kwantumeffecten in de biologie weleens kunnen leiden tot grote doorbraken in de geneeskunde. Professor Johnjoe McFadden van de universiteit van Surrey, kwantumbiologiepionier en auteur van verschillende populairwetenschappelijke boeken, vertelt over de rol die vogels hebben gespeeld.
Hoe trekvogels zich precies via het magnetisch veld van de aarde oriënteren, was lang een van de grootste mysteries van de dierenwereld. ‘Uiteindelijk draait het allemaal om de rol van spin’, zegt McFadden. Spin is een fundamentele kwantumeigenschap, waardoor sommige deeltjes zich gedragen als piepkleine magneetjes, essentieel voor de werking van bijvoorbeeld een MRI-scanner. ‘Wat experimenten rond vogelnavigatie vooral aantonen, is dat deze merkwaardige kwantumeigenschap mogelijk door de evolutie is benut om vogels, en wellicht ook andere dieren, te helpen migreren.’
McFadden ziet steeds meer aanwijzingen dat spingerelateerde eigenschappen biologische processen beïnvloeden, van wondgenezing en veroudering tot behandelingen met elektromagnetische velden. In zijn lab onderzoekt hij of geneesmiddelen via zulke spininteracties op afstand geactiveerd kunnen worden, een veelbelovende techniek om medicijnen lokaal in te zetten, bijvoorbeeld tegen tumoren.
Kwantumfysica: ‘Ja, dit is knutselwerk. Hoogtechnologisch knutselwerk’
Betere medicijnen
De natuur kan ook als voorbeeld dienen voor nieuwe technologie. Energietransport in fotosynthese, bijvoorbeeld, gebruikt kwantumprocessen met bijna 100 procent efficiëntie. ‘Als dat mechanisme op zonnepanelen kan worden overgedragen, zou dat ons enorme energiewinsten opleveren.’
McFadden stipt ook nog enzymen aan als pareltjes uit de kwantumbiologie. ‘Het zijn de werkpaarden van het leven. Enzymen versnellen de chemische reactiesnelheid met enorme aantallen. Als je je wandelsnelheid met die factor zou kunnen versnellen, loop je in milliseconden door de Melkweg. Niemand begreep hoe dat kon, tot kwantumfysica uitleg bood. We weten tegenwoordig dat veel enzymen gebruikmaken van de kwantumfysica om hun taken in ons lichaam uit te voeren. Bijna alle medicijnen richten zich op enzymen, dus inzicht in de kwantumfysische werking van enzymen kan ons helpen om krachtigere medicijnen te maken.’
McFadden maakt tot slot een parallel met hoe biochemie zich in de loop van de afgelopen eeuw tot een onmisbaar fundament van de levenswetenschappen ontwikkelde. Staat kwantumbiologie vandaag misschien aan het begin van een vergelijkbaar traject? Het snijvlak van fysica en biologie is een uitdagend werkgebied maar, zo besluit hij, ‘de meest uitdagende gebieden zijn ook de meest opwindende’.
Nieuwe wapenwedloop
Van kwantumcomputers tot kwantumbiologie: de kwantumwetenschap groeit snel en is van groeiend geopolitiek belang. De basis voor de kwantumtheorie werd gelegd in de aanloop naar de Eerste Wereldoorlog. Met de komst van de wiskundige beschrijving in het interbellum en vooral de ontwikkeling van de atoombom tijdens de Tweede Wereldoorlog, legde de kwantumfysica zelfs indirect de basis van de naoorlogse wereldorde.
Nu de gevestigde orde opnieuw aan het wankelen is, lijkt de geschiedenis zich te herhalen. De grote Amerikaanse techgiganten voelen de Chinese adem in hun nek. Een nieuwe wedloop is aan de gang, terwijl wetenschappelijke doorbraken zich in sneltempo opvolgen. Kwantumtechnologie is daarbij net als artificiële intelligentie een belangrijke strategische troef geworden in de verschuivende wereldorde.
