De inzet van quantumtechnologie voor sociaal-maatschappelijke missies

Quantumtechnologie: van het lab naar de markt

Quantumtechnologie wordt wereldwijd erkend als een sleuteltechnologie voor de toekomst. Met toepassingen in onder andere vitale infrastructuur, logistiek, cyberveiligheid en gezondheidszorg biedt quantumtechnologie unieke kansen. Dit maakt de technologie relevant zowel in het kader van het versterken van het verdienvermogen van Nederland, als ook voor het genereren van nieuwe oplossingen voor maatschappelijke opgaven – oplossingen die nu wellicht nog niet eens allemaal denkbaar zijn. Binnen de Nationale Technologie Strategie wordt quantumtechnologie dan ook aangewezen als een van de speerpunten van het Nederlandse innovatiebeleid. Dit beleid is er hoofdzakelijk op gericht om het aanbod van nieuwe quantum innovaties in Nederland te vergroten.

Op dit moment bevindt Nederland zich, net als andere landen, in een vroege fase waarin de markt nog grotendeels een kennismarkt kan worden genoemd en vooral bestaat uit onderzoeksinstellingen en technologieontwikkelaars. Wereldwijd is de stap naar grootschalige economische toepassing van quantumtechnologie nog niet gezet. Het creëren van reële marktwaarde door eindgebruikers die vragen om deze oplossingen – zoals farmaceuten, logistieke bedrijven of financiële instellingen – komt momenteel stap voor stap van de grond.

De aantrekkende kracht van vraaggestuurd innovatiebeleid

Tegelijkertijd wordt Nederland geconfronteerd met verschillende maatschappelijke uitdagingen die vragen om innovatieve oplossingen; gamechangers die zullen zorgen voor een doorbraak. Daarom wordt innovatiebeleid nu ook ingezet om innovatie meer te sturen richting het oplossen van deze uitdagingen. Via concrete doelen – zogenaamde missies – streeft het Nederlandse missiegedreven innovatiebeleid ernaar om innovatie in Nederland te mobiliseren voor complexe maatschappelijke uitdagingen, zoals langer leven in goede gezondheid of het realiseren van de energietransitie.

In de dagelijkse praktijk blijkt het echter moeilijk om deze twee werelden met elkaar te verenigen: missiedomeinen die om oplossingen vragen en innovatie-gedreven ecosystemen die innovatieve oplossingen aanbieden blijven vaak gescheiden werelden die niet of nauwelijks met elkaar interacteren. Hierdoor komt een missiegedreven innovatie-ecosysteem niet tot stand, en blijft een overvloed aan veelbelovende innovatieve oplossingen vaak lang vastzitten ‘in het lab’, zonder dat deze kennis effectief omgezet kan worden in economische waarde (ook wel bekend als de innovatieparadox).

Om hier verandering in aan te brengen hebben het Center for Quantum & Society van Quantum Delta NL (QDNL), technische experts van TNO (afdeling Applied Cryptography and Quantum Algorithms), en TNO Vector de handen ineen geslagen voor een innovatieve studie naar de rol van quantumtechnologie in het oplossen van maatschappelijke uitdagingen. Het doel van deze studie is om aanknopingspunten te identificeren waarmee aanbod van, en vraag naar, innovaties op elkaar kunnen worden afgestemd en gesynchroniseerd. Hierdoor kan het gesprek tussen deze werelden worden geopend en gevoerd, wat mogelijk tot snellere marktwaarde van quantumtechnologie kan leiden.

De ontwikkeling en toepassing van een prospectieve waarde methodologie

In het afgelopen jaar hebben we daarom gewerkt aan een nieuwe methodologie waarmee de toekomstige waarde van quantumtechnologie voor maatschappelijke uitdagingen inzichtelijk kan worden gemaakt: de prospectieve waarde methodologie. Dit is een nieuwe foresight methode, ontwikkeld door TNO Vector, waarmee de toekomstige waarde van opkomende technologieën tastbaar kan worden gemaakt, juist omdat voor zulke technologieën vaak de waarde nog niet bekend is omdat ze in de toekomst ligt. Daarbij wordt ‘waarde’ uitgedrukt als de bijdrage aan maatschappelijke uitdagingen. Eerder dit jaar is deze methode toegepast op twee belangrijke sociale domeinen: de energietransitie en het watersysteem. Deze domeinen zijn onder meer geselecteerd op basis van de prioriteiten van QDNL en relevante internationale initiatieven, zoals het Open Quantum Institute dat wordt gehost door CERN en is opgezet door GESDA.

Om tot een overzicht van de quantumtoepassingen voor de energietransitie te komen, is de energie transitie opgesplitst in zeven ‘dominante’ transitiepaden: waterstof, zon, wind, elektriciteitsnetwerken, nucleair, koolstof en warmte. Deze paden zijn geïnspireerd op het Nationaal Plan Energiesysteem voor 2050. Vervolgens zijn per domein de verschillende toepassingen in één overzicht gevisualiseerd. Het overzicht is bovendien online toegankelijk en interactief: door op een toepassing te klikken, wordt kort het probleem, de (quantum)oplossing en de bijbehorende impact omschreven, inclusief een link naar een bron voor verdere informatie. Dit laatste is belangrijk om de wetenschappelijke validiteit van de toepassingen te onderschrijven en stelt het publiek in staat om direct toegang te krijgen tot meer informatie voor de eventuele ontwikkeling van nieuwe toepassingen.

Met een soortgelijke opzet hebben we ook een onderzoek uitgevoerd naar de toepassingen van quantumtechnologie voor het watersysteem. De basis hiervoor is gelegd tijdens een evenement van het United Nations International Computing Centre (UNICC) in Den Haag eind vorig jaar. Hierbij hebben we samen met een groep internationale experts een logische indeling van het watersysteem gemaakt en de eerste toepassingen geïdentificeerd. Deze basis hebben we vervolgens verder uitgewerkt met behulp van expertise van onder andere Deltares.

Eerste inzichten over de rol van quantumtechnologie in het energie- en waterdomein

Inhoudelijk draaien de meeste quantumcomputing toepassingen momenteel om optimalisatieproblemen die in een groot aantal situaties voorkomen. Daarnaast zijn er op de langere termijn simulatieproblemen die kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe materialen die op hun beurt bijvoorbeeld worden ingezet om de prestaties van zonnepanelen, electrolysers of ontziltingsinstallaties te verbeteren. Veel toepassingen van quantumsensoren richten zich op (ondergrondse) beeldvorming en het monitoren van infrastructuur. Dit maakt een efficiënter gebruik van duurzame energie- en waterbronnen mogelijk. Daarnaast kunnen deze sensoren ook ingezet worden om nauwkeurige metingen te doen van de (chemische) samenstelling van materialen en vloeistoffen. Overkoepelend kunnen quantumcommunicatie netwerken tot slot bijdragen aan veilige digitale infrastructuur die nodig zijn voor de aansturing en monitoring van het energie- en watersystemen.

Het is belangrijk om te benadrukken dat deze toepassingen zich voorlopig nog in een vroeg en experimenteel stadium bevinden. Er is nog veel onderzoek en ontwikkeling nodig voordat ze effectief kunnen worden toegepast in de praktijk en daadwerkelijk grootschalige impact zullen hebben. Naast deze technologische uitdagingen zal er onder andere ook geïnvesteerd moeten worden in kennisopbouw, talentonwikkeling en infrastructuur om de adoptie van quantumtechnologie te versnellen. Desondanks is het belangrijk om deze toepassingen nu al onder de aandacht te brengen en verder te ontwikkelen, aangezien de energietransitie en het watersysteem op de lange termijn belangrijke sociaal-maatschappelijke domeinen zullen blijven.

Quantumtechnologie voor een gezondere samenleving

Als derde toepassingsdomein hebben we gekozen voor de gezondheidszorg en de resultaten zijn vanaf nu beschikbaar in de visual Quantum Technology for Health & Life Sciences.5 De visual laat zien hoe mogelijke toepassingen binnen quantumcomputing, sensing en communicatie hun weg vinden naar uiteenlopende zorgomgevingen: van thuiszorg en huisartsenpraktijken tot ziekenhuizen, laboratoria en farmaceutische bedrijven.

De gezondheidszorg staat voor grote uitdagingen: zorg moet persoonlijker, diagnoses sneller en behandelingen effectiever. Quantumtechnologie biedt hier mogelijk waardevolle oplossingen. In de visual brengen we deze toepassingen systematisch in kaart, gebaseerd op een uitgebreide inventarisatie van use-cases. Daarbij zijn inzichten meegenomen van TNO-experts (zoals Geurt Stokman en Jildau Bouwman), maar ook van externe specialisten uit de farmaceutische industrie, quantumcomputing bedrijven (zoals PsiQuantum), en de klinische praktijk. Door deze diverse perspectieven te combineren zijn toepassingen in kaart gebracht binnen medisch onderzoek en innovatie, diagnostiek, behandeling en zorg, infrastructuur en operaties, en publieke gezondheid en beleid.

Zo kan quantumcomputing bijvoorbeeld worden ingezet voor het simuleren van moleculen voor medicijnontwikkeling, het analyseren van genetische en klinische data voor vroegtijdige ziektedetectie, of het optimaliseren van behandelplannen. Quantumsensoren lenen zich juist voor uiterst gevoelige, vaak niet-invasieve metingen, wat kan leiden tot verbeterde echografie, magnetocardiografie of het meten van metabolische activiteit in op celniveau. Deze toepassingen kunnen niet alleen nieuwe inzichten brengen voor fundamenteel onderzoek, maar kunnen ook bijdragen aan vroegtijdige diagnose, gepersonaliseerde zorg en meer comfort voor de patiënt. Tot slot kunnen quantumcommunicatie- en netwerkprotocollen zorgen voor veilige data-uitwisseling; cruciaal voor het beschermen van gevoelige patiëntinformatie en het faciliteren van samenwerking tussen zorginstellingen.

Een grote potentiële impact en onze vervolgstappen

Alles bij elkaar hebben we meer dan honderd toepassingen geïdentificeerd waarbij quantumtechnologie kan bijdragen aan sociaal-maatschappelijke missies. Het werk van TNO stopt echter niet bij het in kaart brengen van deze toepassingen: een aantal hiervan worden momenteel in het Quantum Applicatie Lab samen met eindgebruikers verder ontwikkeld tot innovatieve oplossingen. Hiernaast hebben onze visuals tot nu toe een breed publiek bereikt: van beleidmakers in Brussel tot docenten, kinderen en grootouders. Hiermee dragen we ook bij aan het maatschappelijke debat rondom quantumtechnologie.

Tot slot hebben we de ambitie om onze succesvolle samenwerking met het QDNL Centre for Quantum and Society door te zetten en onze methode toe te passen op een aantal andere relevante domeinen. Houd onze social media kanalen en website in de gaten om hiervan op de hoogte te blijven!