‘Hacken wordt ook saai’

Haar kamer in het gebouw van Technische Natuurkunde is ruim en bijna leeg. Een zwarte leren fauteuil en een knalrode leren bank vormen de setting voor het interview. De tegenoverliggende wand dient als whiteboard en is volledig bedekt met formules en berekeningen. Dit is de werkkamer van een theoretisch quantumfysicus. Maar wel een die begonnen is als hacker in de computerbeveiliging. “Ik werkte voor banken, verzekeringsmaatschappijen en farmaceutische bedrijven die wilden weten hoe veilig hun systeem was. Wij testten die systemen door er in te breken.”

Kunt u dat nog steeds?
“Ik heb het al een tijd niet meer geprobeerd, maar ik heb niet de indruk dat de beveiliging er veel beter op is geworden.”

Waarom bent u op uw 22ste alsnog gaan studeren?
“Het is misschien raar om te zeggen, want iedereen denkt dat hacken een heel spannende bezigheid is. In zekere zin was het dat ook, maar op een gegeven moment is het meer van hetzelfde. Ik wilde iets meer en besloot te gaan studeren.”

Wat trok u aan in computers?
“Wat mij interesseert is de communicatie waar computers bij betrokken zijn. De uitwisseling van informatie, hoe je toegang kunt krijgen tot informatie, hoe het verdeeld is of hoe het afgeschermd is, die dingen fascineren me. Maar met wat ik nu doe, probeer ik de natuur zelf te begrijpen op het niveau van informatie. Dat is een stap verder dan je toegang verschaffen tot informatie zoals een hacker doet.”

Wat studeerde u in Amsterdam?
“Ik ben afgestudeerd in informatica, maar ik deed ook natuurkundevakken.”

En waarom studeerde u in Amsterdam en niet in Duitsland, waar u vandaan komt?
“Ik zat al in Amsterdam, waar ik bij XS4ALL werkte en later bij ITSX, een computerbeveiligingsbedrijf.”

Uw proefschrift ging over quantumcryptografie. Wat trok u aan in de quantumwereld?
“Voor mij was het een soort stap tussen waar ik vandaan kwam en wat ik nu doe. Ik zei al dat uitwisselen van informatie mij interesseert. Quantuminformatie is dan de volgende stap. Vanwege mijn achtergrond als hacker trok de cryptografie me aan omdat het gaat om het afschermen van informatie, beveiliging en het kraken daarvan. Nu ben ik een stap verder en doe niet alleen quantumcryptografie maar ook quantumcommunicatie in bredere zin.”

Werkt quantumcryptografie al?
“Ja, dat kun je gewoon kopen. De apparaten die daarvoor op de markt zijn, hebben natuurlijk allerlei praktische probleempjes, maar het grootste bezwaar is dat de werking beperkt is tot een afstand van tweehonderd kilometer. Dat is niet slecht, maar ik zou van die beperking af willen. Wat me nu bezighoudt is een quantumnetwerk te bouwen. Over zo’n netwerk kun je quantumcommunicatie bedrijven ongeacht de afstand.”

Zoiets als het internet?
“In dit geval het quantuminternet. Daarmee zouden we quantumcryptografie over afstanden groter dan tweehonderd kilometer kunnen realiseren, maar quantumcommunicatie is natuurlijk breder dan alleen cryptografie.”

Ik heb wat publicaties van u nagezocht. U lijkt zich te bewegen op het kruispunt van informatica, quantumfysica en thermodynamica. Hoe gaat u met zoveel complexiteit om?
“Ik houd ervan om in een abstract wiskundige manier over dingen na te denken. Vanuit een zekere abstractie zijn die velden helemaal niet zo verschillend. Laat me een voorbeeld geven. De fysica heeft het over twee deeltjes die een bepaalde wisselwerking hebben. Je kunt die wisselwerking ook opvatten als het uitwisselen van informatie. Als je nadenkt over de manieren waarop deeltjes op elkaar kunnen reageren, kun je ze ook beschouwen als twee actieve spelers die met elkaar willen communiceren en via een bepaald protocol in een andere toestand komen. Die opvatting noemen we het operationele perspectief dat je in staat stelt om ideeën uit de quantuminformatietheorie toe te passen.”

Leidt dat tot nieuwe inzichten?
“Ja zeker. Ik werk momenteel aan een studie van machines die te klein zijn om statistiek op toe te passen. Thermodynamica is ontwikkeld voor grote systemen als stoommachines. Mensen stelden regels op en verifieerden die experimenteel. Later werden ze met statistische mechanica nagerekend op basis van grote aantallen deeltjes. Nu hebben we heel kleine machientjes van slechts een paar deeltjes waar je geen statistiek meer op kunt toepassen. Maar je kunt de processen ook opvatten als uitwisseling van informatie. Daar kun je inzichten uit de quantuminformatica op toepassen om de thermodynamica op quantumschaal te bestuderen.”

Er is een gedachtenexperiment waarbij een mannetje deeltjes selectief wel of niet doorlaat waardoor hij de thermodynamica verstoort. Is zoiets te bouwen?
“Dat is Maxwell’s demon. Je kunt je voorstellen dat de experimentator alleen klassieke informatie over het systeem heeft. Zoals Maxwell’s demon die kijkt of een deeltje naar links of naar rechts gaat. Je kunt je echter ook voorstellen dat iemand quantum-informatie heeft over het systeem. Dat kan een groot verschil uitmaken. We beginnen nu te begrijpen wat de regels zijn als twee systemen aanvankelijk verstrengeld zijn. Als hun quantumtoestanden al samenhangen voordat ze bij elkaar komen, geeft dat vreemde uitkomsten. Zo gingen we ervan uit dat warmte altijd van een heet naar een koud lichaam stroomt. Dat denkt iedereen, maar het is niet altijd waar. Want als de twee systemen een quantumrelatie hebben kan de warmte ook van koud naar warm stromen. Dat is moeilijk voor te stellen omdat het in onze macroscopische wereld niet gebeurt. Maar in de wereld van het heel kleine kan dat wel.”

Dat klinkt vrij bizar. Zijn zulke interacties al experimenteel aan te tonen?
“We zouden het in het laboratorium kunnen aantonen, maar we hebben het nog niet gedaan. Er zijn veel nieuwe dingen ontdekt in quantum-thermodynamica, maar de meeste ideeën zijn nog vrij wiskundig enabstract. We werken nu aan een project dat we experimenteel kunnentesten. Maar zover zijn we nog niet.”

Is dat uw rol hier, vooruit denken en nieuwe experimenten verzinnen?
“Ik heb hier meerdere rollen. Ik werk samen met de groep van Ronald Hanson die een quantumnetwerk probeert te bouwen en dat is tweerichtingsverkeer. Ik kom met een cool theoretisch protocol dat ze kunnen bouwen. Of zij lopen tegen een probleem aan en willen weten of daar een theoretische onderbouwing bij past. De samenwerking komt van twee kanten.”

Onlangs tekenden Qutech uit Delft en Qdev uit Denemarken een samenwerkingsovereenkomst met de bedoeling om Europa in de voorhoede te houden bij de ontwikkeling van de quantumcomputer. U hebt ook in Singapore gewerkt. Wat is uw inschatting?
“Laat ik de kansen en risico’s noemen. Wat mij naar Delft heeft getrokken is dat mensen hier quantumapparaten kunnen bouwen en dat is tamelijk uniek. In Singapore zijn ze theoretisch sterk, maar experimenteel was het minder. Dus was daar minder perspectief om een echt quantumnetwerk te bouwen. Europa heeft kennis en infrastructuur opgebouwd waar onderzoekers gebruik van kunnen maken voor hun experimenten. Europa staat sterk in quantuminformatica, ook qua theorie, en heeft dus volgens mij sterke kaarten. De andere kwestie heeft te maken met geld. Onderzoekers hier steken veel tijd in het werven van financiering. Het is duur onderzoek vanwege de apparatuur en de technici die je ervoor nodig hebt. Als je ruimere middelen hebt kun je meer technologieën tegelijk ontwikkelen en kijken welke het beste werkt. In Azië, en in China in het bijzonder, gooien ze enorme bedragen tegen het quantumonderzoek aan. Ze lopen nog achter in theorie en infrastructuur, maar dat is een kwestie van tijd.”

Ik teken hierbij aan dat Qutech niet de meest armlastige afdeling is van de TU.
“Maar besef je ook dat onderzoekers enorm veel tijd kwijt zijn aan het vergaren van externe financiering? In vergelijking met China is het budget hier een orde van grootte kleiner en hebben onderzoekers minder tijd over voor hun eigenlijke werk.”

U bent nu halverwege uw collegereeks over quantum computing en quantumcommunicatie. Hoe bevalt dat?
“Het gaat er erg levendig aan toe. Er zijn veel vragen en er is discussie, ook na afloop. Ik kom daardoor minder ver met mijn stof dan de bedoeling was, maar dat is niet erg.”

Hebt u er een voorstelling van hoe een quantumcomputer zal functioneren?
“Van de buitenkant zal het er voor een gebruiker niet anders uitzien, behalve dat bepaalde taken een stuk sneller opgelost worden dan voorheen. Op bepaalde gebieden is een quantumcomputer exponentieel sneller.”

Als je vraagt naar toepassingen komen mensen altijd met het kraken van codes en cryptografie. Maar zijn er ook toepassingen die dichterbij een doorsnee gebruiker liggen?
“Stel je hebt een boel vragen, zoals in dit interview. Je stelt me de ene vraag na de andere. In een quantumnetwerk kun je al je vragen tegelijk stellen en je krijgt al mijn antwoorden in één keer terug. Het opzoeken van informatie kan veel sneller verlopen in een quantumnetwerk. Dat geldt ook voor zoekmachines of databases. Ik denk dat snelheid het meest opvallende kenmerk zal zijn.”