8 maart 2021

Leo Kouwenhoven, quantumtechnologie en de implicaties voor de ruimtevaart

Leo Kouwenhoven, professor aan de TU Delft in de quantum nanotechnologie is bezig sinds 2012 met majoranadeeltjes een quantumcomputer te bouwen. ‘De Race’ heet de documentaire die op 4 februari a.s. op de NPO 2 over het werk van Leo Kouwenhoven worden uitgezonden. Dr. Bob Dirks,  systeem architect bij de TNO quantum technologie afdeling schreef een uitvoerig artikel over het belang, nu en in de toekomst, van de quantumtechnologie voor de ruimtevaart.

Leo Kouwenhoven (r) QuTech lab credits; RTL

Prof dr. ir  Leo Kouwenhoven (Pijnacker, 1963) studeerde technische natuurkunde aan de TU Delft en promoveerde hier in 1992 cum laude. In 2007 ontving hij de Spinozapremie van de NWO (Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek), de hoogste onderscheiding in de wetenschap in Nederland. Sinds 2008 is hij professor  bij de afdeling quantum nanowetenschappen (TNW, Technische Watuurwetenschappen), en tevens groepsleider van de quantumtransportgroep (TNW) en focusgroepleider van de Marjoranagroep bij FOM (Stichting Fundamenteel onderzoek der Materie). In 2012 vertelde Kouwenhoven dat hij iets had waargenomen dat op een elementair deeltje leek dat in 1937 voorspeld was, de Majorana, een sub-atomair deeltje dat zijn eigen anti-deeltje is (hier was enige discussie over daar deze Majorana i.p.v. in het ‘wild’ waargenomen zoals in de LHC Zwitserland, het in Delft in een cryostaat, een gedefinieerd materiaalsysteem gedetecteerd werd). Inmiddels is Kouwenhoven en zijn team bezig met het meten van de eigenschappen van de Majorana. Deze Majorana-quasi- of zoals hij het liever noemt, collectief deeltjes zouden zeer stabiel kunnen zijn, en daardoor goed geschikt voor het bouwen van een een quantumcomputer. Van Kouwenhoven is directeur van QuTech, een instituut van de TU Delft en TNO dat promovendi en afstudeerstudenten een bijzondere leeromgeving biedt alsook van het Microsoftlaboratorium genaamd StationQ dat tevens in de TU Delft huist in het gebouw van technische natuurkunde. De documentaire is gemaakt door regisseur David Kleijwegt, en wordt uitgezonden op de NPO 2, tijdstip 20.25 op maandag 4 februari a.s.

Dr. Bob Dirks van huis uit natuurkundige en zoals hij zelf stelt een ‘wannabee astronaut’, werkte in het verleden aan  X-ray sensoren voor de ruimtevaart en bij het SRON te Utrecht maar is momenteel werkzaam op de Quantum Technolgy afdeling bij het TNO. Hij stelt in zijn uitvoerige artikel ‘Quantumtechnologie in de Ruimte’ dat men inmiddels midden in de Tweede Quantumrevolutie zit. De eerste draaide om het begrijpen en toepassen van de fysische wetten die de allerkleinste deeltjes beschrijven, de quantummechanische principes. kortweg de quantummechanica. Tegenwoordig draait het volgens Dirks vooral om het gebruik van de quantummechanische principes als verstrengeling en superpositie. Deze vormen de basis voor het toekomstig quantuminternet, quantumcomputers en quantumcommunicatie. De ruimtevaart speelt hierin een belangrijke rol en Dirks zet dit in zijn artikel in het tijdschrift Ruimtevaart/4 2018 helder uiteen. Hij noemt daarbij de ESA, die eind vorig jaar voor de tweede keer de workshop Quantum Technology Implementations for Space organisserde. Hier komt ook de EU om de hoek kijken die in 2016 besloot het Quantum Flagship programma op touw te zetten en 1 miljard Euro te gaan investeren in quantumtechnologie. De werkgroep voor ruimtevaart van de EU COST ACTION quantumtechnology in space, bracht de belangrijkste onderzoeksgebieden in kaart en Dirks zet dit in een kader in het artikel. ESA heeft bv inmiddels een belangrijk onderzoek lopen naar nieuwe atoom interferentiegravimeters die heel nauwkeurig de zwaartekracht van de aarde in kaart kunnen brengen.

Optical Ground Station Tenerife credits; Research Gate / Daniel Padrón

Het artikel gaat ook verder in op een van Dirks onderzoeksgebieden, de Quantum Key Distribution, of QKD, een techniek die gebruik maakt van de quantummechanische principes om met lichtdeeltjes een encryptiesleutel veilig te versturen (met QKD kun je altijd zien of iemand probeert de encryptiesleutel te stelen of te kopiëren, drie eigenschappen hiervan no-cloning, superpositie en quantumverstrengeling legt Dirks in het artikel verder uit). Voorwaarde voor het verzenden van een quantumsleutel is dat er individuele lichtdeeltjes gebruikt moeten worden. Voor het overbruggen van zeer grote afstanden volstaat een optische fiber niet (die haalt max 100 km) maar moet gebruik gemaakt worden van hooggelegen telescopen zoals die te La Palma op de Canarische eilanden of via satellieten. Op de foto hierboven ziet men het OGS, Optical Ground Station, gevestigd in Tenerife van de ESA. Deze telescoop wordt gebruikt in testen voor lange afstand quantum communicatie tussen de eilanden van Tenerife en La Palma, een afstand van 150 km. De getoonde laserstraal is een laser die uitlijnt naar La Palma.Aan het einde van de laserlijn ziet men een vlekje, wat een andere uitlijnlaser is die van La Palma naar Tenerife wijst.Fotonen worden dan via de atmosfeer en het vacuüm van de ruimte naar de satellieten verzonden om zo een encryptiesleutel tussen satelliet en grondstation te bewerkstelligen. China heeft met de Miciussatelliet* bewezen dat QKD via satelliet mogelijk is. Maar Europa is ook bezig met QKD projecten. Dirks legt uit dat het TNO  hier op verschillende manieren bij betrokken is, onder meer voor ontwerpen en maken van de optische systemen en de integratie met quantumsystemen maar ook vanuit de cyber security. Een andere link met ruimtevaart is de quantum computer. Ook voor deze geldt dat als de computers en gebruikers ervan met elkaar moeten communiceren het nodig is, daar communicatie via uitwisseling van qubits en quantumverstrengeling verloopt, een optisch fibernet niet zal volstaan maar men een satellietnetwerk moet bouwen. Het artikel van Bob Dirks is gepubliceerd in de Ruimtevaart/4 2018, pag. 4-8, en zal in pdf verschijnen op het NVR archief**.  Bronnen: De Ingenieur/Ruimtevaart

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.