In gesprek met hoogleraar Pepijn Pinkse: “Het beste moment om kwantumbeveiliging op orde te krijgen was gisteren.”

By Aafke Eppinga

Begin vorige maand vond zijn oratie plaats, in de praktijk is Pepijn Pinkse al een aantal jaar werkzaam als hoogleraar kwantumtechnologie aan de Universiteit Twente (UT). Tijdens zijn oratie stond het creëren van bewustwording rondom kwantumbeveiliging en de dreiging die kwantumtechnologie met zich meebrengt centraal. “Het beste moment om kwantumbeveiliging op orde te krijgen was gisteren.”

Lichtgolven, spikkeltjes en een sleutel

“Zie je deze laserstraal? Het is een nette bundel van lichtgolven die in de pas lopen.” Pinkse houdt een A4-tje voor de camera waar hij met een laserpointer op schijnt. “Als ik een plakbandje op de laser plak, dan zie je dat er zich een complex patroon van allemaal spikkeltjes in het licht vormt. Zodra je aan dat patroon vijf fotonen toevoegt, verdelen die fotonen zich over de spikkels. De combinatie van kwantumlicht – licht met een klein aantal fotonen en een ingewikkeld patroon – gebruiken we om een sleutel uit te lezen.”

Of, in andere bewoording: Pinkse heeft een sleutel ontwikkeld die niet te kopiëren is, zelfs niet wanneer iemand over alle informatie beschikt. De sleutel wordt geverifieerd door er een lichtimpuls op te schijnen met minder fotonen (lichtdeeltjes) dan er ‘spatial degrees of freedom’ (spikkeltjes) zijn. De hoogleraar speelde een belangrijke rol bij de uitvinding van deze Quantum-Secure Authentication-methode, die grotendeels in Twente is ontwikkeld. 

Bits en Qubits

Het ontwikkelen van authenticatiemethodes is zo belangrijk omdat de komst van kwantumcomputers risico’s met zich meebrengt voor de beveiliging van gegevens. Zodra kwantumcomputers krachtig en betrouwbaar genoeg zijn, zijn de meeste huidige cryptografische beveiligingsmethodes, van internet en gegevensbestanden op slag kwetsbaar.

Kwantumcomputers werken volgens een ander principe dan klassieke computers. Het belangrijkste verschil is de fundamentele eenheid van informatie, oftewel de ‘bit’. De klassieke, digitale bit kent niet meer dan twee toestanden – 0 of 1 – en voert dus stapsgewijs berekeningen uit. De informatie-eenheid van een kwantumcomputer ‘qubit’ kan in beide toestanden tegelijk verkeren. Dit noemen we de ‘superpositie’. “Door deze parallelle werkwijze groeit de rekentijd op een kwantumcomputer veel minder hard mee met de grootte van het probleem en kunnen ze in de toekomst complexe opgaven oplossen die voor klassieke computers te moeilijk zijn”, legt Pinkse uit.

Pepijn Pinkse

Pinkse studeerde natuurkunde aan de Universiteit Leiden en promoveerde aan de Universiteit van Amsterdam. Hij bracht tien jaar door aan het gerenommeerde Max-Planck Instituut voor Quantum Optica. In 2009 stapte hij over naar de UT, waar hij pionierswerk verrichtte op het gebied van kwantumveilige authenticatie. Voor zijn onderzoek ontving hij in 2013 een Vici beurs, de hoogste persoonsgebonden beurs van de NWO. Sinds 2019 is Pinkse hoogleraar Adaptive Quantum Optics. Ook is hij directeur van het centrum voor QUAntum NanoTechnology Twente (QUANT) en medeoprichter van spin-off Quix-Qantum

Q-day: D-day voor de huidige beveiligingssystemen

“Het merendeel van onze huidige cryptografie, denk bijvoorbeeld aan internetbankieren, is gebaseerd op het feit dat je makkelijk twee grote priemgetallen met elkaar kunt vermenigvuldigen”, legt Pinkse uit. “De som andersom maken is lastig.”

Pinkse: “Het Shor algoritme kan die omgekeerde berekening wel efficiënt maken, al heeft het daar wel een grote en goede universele kwantumcomputer voor nodig. Hierdoor zijn veel van onze versleutelde gegevens niet langer veilig.”

Zover is het nog niet, want kwantumcomputers beschikken nu nog over een klein aantal geheugenelementen (qubits) en zijn ruisig. De hoogleraar verwacht dat het nog wel zo’n tien jaar zal duren voordat ‘Q-day’ – de dag dat de huidige cryptografische beveiligingssystemen bezwijken onder de druk van kwantumcomputers – plaatsvindt. Maar, dat betekent niet dat we nu nog geen maatregelen moeten nemen, waarschuwt Pinkse. “Als er over tien jaar een werkende universele kwantumcomputer bestaat die afgeluisterde berichten van nu kan ontcijferen, moeten we ons daar nu tegen gaan beschermen met versleutelingstechnieken die ook dan niet gebroken kunnen worden.”

Twente: koploper in kwantumtechnologie

Naast de risico’s die deze onvatbare technologie met zich meebrengt, heeft het ook een enorme potentie. “Kwantumcomputers kunnen ons helpen chemische reacties veel beter te begrijpen en slimmere accu’s en effectievere medicijnen te kunnen maken. Kwantum is een sleuteltechnologie voor de energietransitie en gezondheidszorg.”

Het zou zomaar kunnen het eerste universele prototype uit Twente komt. Bij UT spin-off Quix Quantum, waar Pinkse medeoprichter van is – ontwikkelen ze een universele kwantumcomputer. Over drie jaar hoopt het bedrijf het prototype af te hebben; de computer is al verkocht aan het Duitse centrum voor lucht- en ruimtevaart. De Twentse kwantumcomputer draait op licht en is toonaangevend in Europa. Pinkse: “De Amerikaanse concurrent PsiQuantum heeft honderden miljoenen aan investeringen opgehaald, maar nog niks verkocht.”

Waar commercie in de beginjaren van zijn carrière vaak een ‘vies’ woord was, is het dat bij UT allesbehalve. “Commercie is bij veel instituten en universiteiten een bijzaak die afleidt van de wetenschap zelf. Hier ligt de nadruk heel sterk op de bijdrage die je met het onderzoek kan leveren aan de maatschappij. Dat maakt mijn werk ontzettend leuk.”

Quandela brengt de kwantumcomputer voor het eerst van lab naar fab

Quandela, Franse pionier van de fotonische kwantumcomputer, heeft de eerste fabriek voor kwantumcomputers in Europa in gebruik genomen.