Bouwen aan de basis van de informatiemaatschappij

Informatie is het nieuwe goud. In een tijdsgewricht waarin zo ongeveer ons complete dagelijkse leven wordt geregeld door digitale systemen, en waarin hackers universiteiten, gemeenten en zelfs elektriciteitsnetten plat kunnen leggen, is het verzamelen, analyseren, uitwisselen en gebruiken van informatie de basis geworden onder onze maatschappij. Het ontwikkelen van duurzame, energie-efficiënte en betrouwbare systemen voor het meten, berekenen en communiceren van data is dan ook van onbetwist belang.

In het Eindhoven Hendrik Casimir Instituut ontwikkelen onderzoekers van verschillend pluimage, zowel wat wetenschappelijke disciplines als geografische afkomst betreft, de informatie- en communicatiesystemen van de toekomst.

Ervaring versterken

Natuurkundige Diana Leitao en elektrotechnicus Chigo Okonkwo zijn allebei vanuit het buitenland naar Eindhoven gekomen vanwege Brainport’s track record op het gebied van hightech systemen. Okonkwo kwam in 2010 naar de TU/e als postdoc, nadat hij zijn doctorstitel had behaald in optische signaalverwerking aan de University of Essex. Sinds die tijd heeft hij een high capacity optical transmission lab van wereldfaam opgebouwd, waarin hij samenwerkt met verschillende industriële partners.

Het boeiende aan dit onderzoeksveld is voor mij dat het industrieel relevant is

Op dit moment is Okonkwo universitair hoofddocent in de Electro-Optical Communication groep. “Na mijn promotie was ik op zoek naar een nieuwe omgeving. Eindhoven stond bekend vanwege de combinatie van optische vezels met fotonische integratie, en vanwege de mogelijkheden om financiering te vinden voor onderzoek op dit terrein. Ik werd aangenomen als universitair docent en kreeg de mogelijkheid om mijn eigen lab op te zetten. Het boeiende aan dit onderzoeksveld is voor mij dat het industrieel relevant is. We bouwen aan de basis van het internet. Ons onderzoek is gericht op systemen, en we lossen wetenschappelijk uitdagende, relevante problemen op om onze toekomstige breedbandcommunicatiesystemen energie-efficiënter, robuust en veilig te maken.”

Ook Diana Leitao, die sinds een jaar als universitair docent verbonden is aan de Physics of Nanostructures groep, wordt gedreven door maatschappelijke relevantie in haar onderzoek naar nieuwe dunne-filmtechnologie om magnetische sensoren te verbeteren. “Het type sensoren waaraan ik werk worden voor van alles gebruikt, variërend van auto’s tot aan biomedische apparaten. Na mijn promotie in Porto en Madrid heb ik een aantal jaar in Lissabon gewerkt, eerst als postdoc en later als onderzoeker met een persoonlijke FCT Investigator Starting Grant. Totdat ik toe was aan een nieuwe uitdaging waarbij ik me meer bezig zou kunnen houden met onderwijs. Het samenspel tussen de universiteit en de industrie hier trok me naar de TU/e. Deze regio herbergt een hoop industrie die gerelateerd is aan micro-elektronica, nanofabricage en lithografie. Dat maakt het een levendige, interessante plek om te werken voor mij. Daarnaast stellen de nauwe banden tussen onze spintronica-groep en de groepen die werken aan fotonica mij in staat om de volgende stappen te zetten in het combineren van magnetisme met optische systemen.”

De hybride toekomst

In deze combinatie van verschillende technologieën ziet Leitao een rooskleurige toekomst voor sensoren, vertelt ze. “Ik ben altijd op zoek naar de volgende stappen om de technologie competitief te houden. Daarom werk ik niet alleen aan het verbeteren van de technologie van vandaag, maar denk ik ook na over compleet nieuwe concepten. Wat mij betreft moeten we gaan voor hybride technologie, waarin we het beste van ieder afzonderlijk veld nemen en combineren tot oplossingen die nieuwe functionaliteit mogelijk maken.”

Ik ben altijd op zoek naar de volgende stappen om de technologie competitief te houden.

Voor magnetische sensoren is een van de belangrijkste uitdagingen om te komen tot veelzijdige, herprogrammeerbare sensoren die bijvoorbeeld zowel minimale als supersterke magneetvelden kunnen detecteren met een grote plaatselijke resolutie, of die driedimensionale magnetische velden in kaart kunnen brengen, legt Leitao uit. “De combinatie van elektronica met fotonica ontsluit daar vele nieuwe mogelijkheden,” denkt ze. “Neem spintronische geheugens, waar de magnetische bits worden geschreven en gelezen met behulp van licht – een ontwikkeling waar mijn collega’s hier in de groep op dit moment aan werken.”

“En hoewel ik niet precies weet wat ik moet verwachten van quantumtechnologie, kan ik me er wel iets bij voorstellen dat onze sensoren van nut kunnen zijn voor zeer gevoelige metrologische metingen, of voor de niet-destructieve evaluatie van kritische hardware die een rol speelt in quantum computing.”

Kiezen voor de pragmatische aanpak

Om de kans te vergroten dat haar ontwerpen daadwerkelijk terechtkomen in producten, kiest Leitao voor een pragmatische aanpak bij het ontwikkelen van de nieuwe generatie sensoren. “Onze aanpak is gebaseerd op dunnefilmtechnologie. Door de stapeling van de atomen te veranderen, te spelen met de diktes van de verschillende lagen in het materiaal, en nieuwe combinaties van materialen te verkennen, kunnen we nieuwe structuren maken die voldoen aan de eisen van specifieke toepassingen. Daarbij gaan we niet uit van exotische materiaalcombinaties die in theorie misschien het beste zouden werken, maar beginnen we vanuit materialen die nu gebruikt worden in de halfgeleiderindustrie en veranderen we hun eigenschappen in de gewenste richting.”

Deze pragmatische aanpak is een andere eigenschap die Leitao en Okonkwo gemeen hebben. Als een van de trekkers van de EHCI focus area ‘Quantum secure networks’ wil Okonkwo een buiten het lab functionerend quantumnetwerk realiseren dat gebruikmaakt van encryptie gebaseerd op quantumfysica om informatie mee te beveiligen.

We testen technologie die nu al beschikbaar is en ontwikkelen we tegelijkertijd nieuwe technologie die we meteen in de praktijk uittesten.

“Een aantal jaar geleden heb ik de handen ineengeslagen met Idelfonso Tafur Monroy om quantumtransmissiesystemen te realiseren die naast de huidige klassieke communicatiesystemen kunnen functioneren,” vertelt hij over hoe deze onderzoekslijn tot stand kwam. In de tussentijd is dit onderwerp hoog op de Nederlandse onderzoeksagenda beland via het Quantum Delta NL Groeifonds voorstel dat onlangs 615 miljoen euro kreeg toegekend. “In ons testbed, dat onze labs op de TU/e campus via een bestaand glasvezelnetwerk verbindt met verschillende locaties elders in de regio, testen we technologie die nu al beschikbaar is en ontwikkelen we tegelijkertijd nieuwe technologie die we meteen in de praktijk uittesten.”

De onderzoekers richten zich hierbij op zogeheten Quantum Key Distribution (QKD). Deze technologie zou de cryptografieprotocollen kunnen vervangen die op dit moment worden gebruikt om onze gegevens te beschermen en die wellicht in een oogwenk kunnen worden gekraakt door toekomstige quantum computers. QKD gebruikt de quantumeigenschappen van fotonen om cryptografische sleutels te maken. Specifieke QKD protocollen laten de ontvanger weten welke metingen hij aan de fotonen moet doen om de gegevens op de juiste manier te ontsleutelen. Het mooie van het gebruik van quantumeigenschappen is dat je onmogelijk onopgemerkt mee kunt lezen, aangezien elke meting aan de quantumeigenschappen van de fotonen deze eigenschappen instantaan verandert.

Eindhoven is het zwaartepunt als het gaat om fotonica en quantumtechnologie.

“Eindhoven is het zwaartepunt als het gaat om fotonica en quantumtechnologie,” stelt Okonkwo. “We werken zowel aan de hardware als aan de software. Daarbij betrekken we actief bedrijven, omdat zij ervoor zorgen dat innovatie ook echt een impact heeft op de maatschappij in de vorm van producten.” De eerste stap in deze ontwikkeling is uitvinden wat voor soort ontvangers, modulatoren, lasers en detectoren je nodig hebt, en hoeveel sleutels je überhaupt kunt generen in een bepaalde tijd.

“We willen verder gaan dan communicatie tussen twee punten, en willen een echt netwerk maken waarin ieder punt is verbonden met meerdere andere punten op een beveiligde manier. De vragen die we hiervoor moeten beantwoorden variëren van hoe we een sleutel moeten genereren en hoe we die moeten gebruiken in een netwerk, tot wat er nodig is aan standaardisatie om de beveiliging van de hele route tussen zender en ontvanger te kunnen garanderen.” Het verminderen en begrijpen van ruis is hiervoor cruciaal, zegt Okonkwo. “Je moet de ruis die afkomstig is van de zender en de ontvanger kunnen onderscheiden van de ruis die wordt veroorzaakt door een eventuele luistervink. Daarom werken we onder andere aan technieken om overmatige elektronische ruis te isoleren.”

Maatschappelijke relevantie

Hoewel Okonkwo een wetenschapper is in hart en nieren die altijd op zoek is naar nieuwe problemen om op te lossen, heeft hij een duidelijk beeld van waar hij naartoe wil met zijn onderzoek. “Over tien tot twintig jaar hoop ik dat bedrijven naar Eindhoven komen om hun communicatieapparatuur quantumgecertificeerd te krijgen. Daarmee bedoel ik dat die apparatuur bewezen bestand is tegen aanvallen van quantum computers. Ik ben ervan overtuigd dat in de toekomst quantumbeveiliging zal zitten in een veelheid aan toepassingen die beschermd moeten worden tegen vijanden, van colonnes van zelfrijdende voertuigen, en gevoelige medische data en back-ups van bankgegevens, tot aan authenticatie van mensen die digitale financiële transacties willen doen.”

Het is ook precies deze overduidelijke maatschappelijke relevantie die studenten naar het onderzoeksveld trekt, ziet hij met tevredenheid. “De huidige generatie studenten is zeer gemotiveerd om een bijdrage te leveren aan de maatschappij. Ze komen naar me toe met kritische vragen over hoe we energie besparen, wat een van de doelen is waar we actief op inzetten met ons fotonica-onderzoek. De drie grote uitdagingen waar we binnen het instituut aan werken vinden duidelijk weerklank binnen de studentenpopulatie. Op dit moment zijn we een aantal nieuwe master tracks aan het opzetten waarin we een veelzijdig beeld schetsen van onze toekomstige informatie- en communicatiesystemen, en waarmee we onze studenten willen voorzien van de kennis en kunde die ze nodig hebben om hun toekomstige carrière in het onderzoek of in het bedrijfsleven vorm te kunnen geven.”

Volgende generatie

Om de volgende generatie ingenieurs voor te bereiden op de aankomende revolutie in informatie- en communicatietechnologie, ontwikkelt het EHCI ook nieuwe manieren waarop studenten praktische ervaring kunnen opdoen met de hardware die onze digitaliserende maatschappij drijft, voegt Leitao toe.

“Om challenge based onderwijs op dit terrein mogelijk te maken, zijn we een multidisciplinair lab aan het opzetten dat beschikbaar is voor onderwijsactiviteiten van de gehele TU/e gemeenschap. Dit moet een plek worden waar je kunt proberen, kunt falen, opnieuw kunt proberen, kunt leren en kunt verkennen. Het lab is mogelijk gemaakt door een gift van ASML en door gelden die beschikbaar zijn gesteld door de faculteiten Applied Physics and Science Education en Electrical Engineering. Hiermee zijn we in staat om een unieke omgeving te creëren waarin we moderne fabricage- en karakterisatietechnologie beschikbaar kunnen stellen aan studenten,” zegt ze.

Zelf kan ik me nog haarscherp het moment herinneren waarop ik voor het eerst een dunnefilmdepositiemachine in actie zag.

Met dit lab willen de initiatiefnemers ervoor zorgen dat studenten al vroeg in hun opleiding kunnen ontdekken wat er schuilgaat achter technologie die ze elke dag gebruiken. Wat zit er in een smartphone, en hoe maak je die onderdelen? Hoe werken de afzonderlijke componenten en waar moet je rekening mee houden als je een nieuwe component ontwerpt? Leitao: “In het lab kunnen studenten kennismaken met de basis van fabricage, de eigenschappen van dit soort systemen bepalen, en leren hoe je chips moet verpakken in hun behuizing. Het lab zal in nauwe verbinding staan met bestaande TU/e onderzoeksinfrastructuur en Innovation Space. Docenten kunnen het lab gebruiken voor de challenge based onderdelen van hun vakken, en studenten kunnen er praktisch werk doen voor hun bachelor- of masterproject.”

Met het lab hoopt Leitao nieuwe generaties studenten te inspireren om in de wereld van nanofabricage te duiken, zegt ze. “Zelf kan ik me nog haarscherp het moment herinneren waarop ik voor het eerst een dunnefilmdepositiemachine in actie zag. Ik was er meteen mateloos door gefascineerd. Dat soort inspiratie wil ik met dit lab ook studenten bieden, door henzelf te laten ervaren welke mogelijkheden dit veld hen te bieden heeft.”

En ze droomt groot, geeft Leitao toe. “Wat mij betreft zouden we dit soort initiatieven ook moeten openstellen voor mensen van buitenaf. De impact van technologie op ons leven neemt alleen maar toe. Het zou mooi zijn als we de maatschappij kunnen laten zien dat dit niet een of andere goocheltruc is, maar, hoe gaaf ook, dat dit iets is dat wij mensen zelf gemaakt hebben en dat dus gewoon te begrijpen is.”