In Nederland ontstaan de eerste Europese quantumnetwerken

De versleutelingstechnieken die we nu gebruiken om onze gegevens te beveiligen, zijn gebaseerd op complexe wiskunde waar klassieke computers grote moeite mee hebben. Laat het nu zo zijn dat dit type wiskunde kinderspel is voor toekomstige quantumcomputers. Quantumbeveiliging leunt daarentegen niet op wiskunde, maar op natuurwetten. Dezelfde wetten die quantumcomputers in staat stelt om klassieke versleuteling te kraken, kun je ook gebruiken om quantumsleutels te maken om te beveiligen tegen aanvallers met quantumcomputers.

Een van de technieken om op deze manier communicatie te beveiligen, heet Quantum Key Distribution (QKD). Twee computers wisselen een geheime sleutel uit in de vorm van lichtdeeltjes. Als iemand probeert mee te kijken, veranderen de lichtdeeltjes en dat valt meteen op. Bij verstoringen wordt die sleutel dan ook weggegooid en begint het proces opnieuw, net zo lang tot een valide sleutel overblijft en gegevens kunnen worden uitgewisseld.

In Nederland worden de mogelijkheden van QKD onderzocht en ontwikkeld binnen het QCINed-project; een publiek-privaat consortium dat mede dankzij EU-financiering testnetwerken heeft opgezet in drie ‘hubs’. Een eerste belangrijke stap richting een Nederlands (en later een Europees) quantumnetwerk. Met drie experts zoomen we in op wat QCINed heeft neergezet, en hoe de triple helix hierop kan voortbouwen.

Eindhoven: een testklaar telecomnetwerk

In Eindhoven heeft TU/e QKD geïntegreerd in een volledig functionerend telecomnetwerk. Het deelproject in Eindhoven verkent hoe quantumcommunicatie kan meeliften op bestaande telecominfrastructuur – van het glasvezel onder de grond tot de serverracks in datacenters – zodat testen in realistische omstandigheden mogelijk wordt.

“Om quantumveilige versleuteling op grote schaal te implementeren, moet de technologie samenwerken met onze bestaande infrastructuur”, verklaart Simon Rommel, professor bij de TU/e. “Het is veel te kostbaar om een volledig nieuw internet op te bouwen met nieuwe technologieën.” Zelfs het testen van nieuwe technologieën als QKD is een kostbare aangelegenheid. “Een zender-ontvangerpaar alleen al kost al snel twee ton”, zegt Rommel. “En wil je als bedrijf een volledig eigen testnetwerk opzetten, kost je dat miljoenen. Ons testbed is dan ook gericht op organisaties, zoals internet- en mobiele netwerkproviders, die hun bestaande netwerken met quantumversleuteling beter willen beveiligen. Ook helpt het fabrikanten van apparatuur om hun apparatuur in een praktijkomgeving te testen en te valideren in plaats van alleen in een laboratorium.”

“We willen laten zien dat je met de huidige infrastructuur nu al heel veel kunt presteren,” zegt Simon. Hiervoor onderzoekt het testbed in Eindhoven hoe ze onze gegevens de komende decennia veilig kunnen houden. “We verkennen oplossingen die vandaag al perspectief bieden en nodigen alle geïnteresseerde partijen uit om te komen experimenteren en testen”, aldus Simon.

Utrecht: quantumveilig én open source

In de regio Utrecht is gewerkt aan een manier om quantumveilige communicatie te ontsluiten voor onderzoeks- en onderwijsinstellingen. Een van de drijvende krachten achter dit project is Wojciech Kozlowski, Quantum Communication Lead bij SURF – het nationale onderwijs‑ en onderzoeksnetwerk (NREN). “We zijn in essentie netwerkoperators en focussen dus op hoe je QKD in operationele netwerken integreert.” SURF heeft een testbed voor leden opgezet (universiteiten, hbo’s, mbo’s, maar ook partijen zoals TNO). Daarnaast koppelen ze dit netwerk aan bestaande kernsystemen – het netwerk wordt op dezelfde manier beheerd als SURFnet, hun productienetwerk.

De software om het netwerk te opereren heet eduQKD en is open source ontwikkeld voor betere schaalmogelijkheden en kennisdeling. “Naast open source-principes staat compatibiliteit voor ons hoog in het vaandel. Daarom hebben we ervoor gekozen om een multi-vendornetwerk in te zetten en de software te ontwikkelen om dit mogelijk te maken. Hierdoor bevinden we ons in een veel betere positie om in de toekomst quantumnetwerkdiensten aan onze aangesloten instellingen te leveren. We onderzoeken samenwerkingsmogelijkheden met andere NREN's in Europa. Binnen EuroQCI werken we aan verbindingen met België en Luxemburg.”

Daarom hebben we bijvoorbeeld ook gekozen voor een gedistribueerde architectuur in plaats van een gecentraliseerde. Dit alles maakt het makkelijker om samen te werken met andere instellingen. Zo verkennen we uitbreiding van ons netwerk naar andere NREN’s in Europa en werken we binnen het QCINed-project aan koppelingen met België en Luxemburg”, aldus Wojciech.

De quantumnetwerken van SURF bieden veilige communicatie voor onderzoek en kennisuitwisseling. “Ontzettend belangrijk voor bijvoorbeeld medisch onderzoek, waar je met gevoelige persoonsgegevens werkt, of andere domeinen waar wordt gewerkt aan nieuw intellectueel eigendom.”

Toch staat Wojciech’s deur wijd open. “Wie software voor onderzoek en onderwijs wil ontwikkelen, of als onderzoeker op deze laag wil voortbouwen, is van harte welkom. Bovendien kan iedereen onze open source-stack verkennen. Dit sluit aan bij onze publieke waarden: alternatieven voor commerciële big tech bieden via open source.”

Delft: hardware van de toekomst

Waar in de Utrecht- en Eindhoven-hubs werd gefocust op netwerkimplementatie, werkte Q*Bird in Delft aan de benodigde hardware. “Binnen QCINed is ons Falqon-product volwassen geworden”, zegt Ingrid Romijn, medeoprichter en CEO van Q*Bird. “Wij hebben de QKD‑apparatuur geleverd aan het SURF‑netwerk in Utrecht en aan het overheidsnetwerk van RINIS in de omgeving Den Haag.”

In tegenstelling tot andere QKD-protocollen, waarbij sleuteluitwisseling gebeurt met punt-tot-puntverbindingen, communiceren met de hardware van Q*Bird alle eindpunten met een centrale ontvanger die het verkeer coördineert. “Beter voor de schaalbaarheid”, verklaart Ingrid. “En voor de veiligheid: dankzij deze netwerkopzet blijft de sleutelinformatie alleen bij eindgebruikers, waardoor we een scala aan cyberaanvallen kunnen voorkomen.”

Ze zegt het met gepaste trots, want dit hele traject heeft twee jaar gekost. Inmiddels draait het systeem enkele maanden met stabiele resultaten. “Ons werk met SURF en RINIS heeft bewezen dat quantumtechnologie commercieel gereed is en al bewezen veilig gebruikt kan worden. Dit toont aan dat een naadloze integratie met bestaande infrastructuur mogelijk is, wat cruciaal is voor klanten die quantumveilige communicatie op schaal willen toepassen. Maar nu de technologie binnen QCINed is gevalideerd, kunnen we vol vertrouwen uitrollen naar andere locaties en kritieke infrastructuren om ook daar communicatie quantumveilig te maken.”

Nederland is voortrekker

Nederland staat met QCINed overtuigend op de kaart als voortrekker in quantumcommunicatie – niet alleen in het lab, maar met operationele netwerken. Met deze combinatie van testklare infrastructuur, open software en productierijpe hardware positioneert Nederland zich als proeftuin én voorbeeld voor een toekomstbestendige en veilige Europese quantumnetwerken.