Premium

Quantumcomputer: heilige graal van wetenschap

Quantumcomputer: heilige graal van wetenschap
Professor Leo Kouwenhoven: „Als het meezit, hebben wij over tien jaar een werkende quantumcomputer.”
© foto HIELCO KUIPERS

Over atomen en nanodraden gaat het in de kelder van het quantumlab van Microsoft op de campus van de TU Delft. Beelden uit een elektronenmicroscoop laten van minuscule draden precies zien hoe de atomen van verschillende materialen gegroepeerd zitten. De wetenschappers kunnen zo zien of de materialen exact de super- en halfgeleidendheid zullen hebben voor de stroompjes die er doorheen moeten.

Die stroompjes gaan twee verdiepingen hoger gemeten worden in tien brommende, peperdure cilindervormige ’koelkasten’, die de temperatuur op een fractie van het absolute nulpunt van min 273 graden celsius kunnen houden. Daarin hopen de onderzoekers, op basis van majoranadeeltjes, uiteindelijk een van de heilige gralen van de wetenschap te ontwikkelen: een werkende quantumcomputer.

Geestelijk vader achter het project is de Delftse hoogleraar Leo Kouwenhoven. Hij verwierf met zijn onderzoeksgroep in de afgelopen jaren wetenschappelijke wereldfaam met hun eerste metingen van het Majorana-deeltje uit de theorie van de quantummechanica, waarvan het bestaan in 1937 al werd voorspeld. Tegenwoordig probeert hij op basis van dat gegeven als directeur van een splinternieuw Microsoftlab aan de TU Delft een quantumcomputer te bouwen.

Het principe daarachter klinkt even simpel als onbegrijpelijk, zoals Kouwenhoven het uitlegt in zijn werkkamer op de verdieping tussen die van de microscopen en de koelkasten. In de wetten van de quantummechanica, die de wereld van de atomen en elektronen regeren, is het mogelijk dat deeltjes in twee verschillende toestanden tegelijk zijn, terwijl dat in onze wereld niet kan, legt hij uit. Zo kunnen deeltjes op twee verschillende plekken tegelijk zijn, op hetzelfde moment zowel linksom als rechtsom draaien of tegelijkertijd nul en één zijn.

Nullen en enen

Bent u daar nog? Wat voor een normaal mens knap verwarrend is, kan toegepast in een computer enorme voordelen hebben. Terwijl traditionele computers informatie opdelen in elektronische nullen en enen, maken quantumdeeltjes - die zowel het een als het ander kunnen zijn - een heel spectrum van waarden ertussenin mogelijk. Waardoor bij een stijging van het aantal rekeneenheden (de ’bits’ in gewone computers en de ’qubits’ in quantumcomputers) niet een evenredige, maar een exponentiële toename van de rekenkracht ontstaat. „Als je honderd chips toevoegt, stijgt je capaciteit dus niet met een factor honderd, maar met twee tot de macht honderd. Dat is een één met dertig nullen”, verduidelijkt Kouwenhoven.

Geen wonder dus dat techbedrijven en wereldmachten werken aan quantumcomputers, die onder andere in staat zijn de meeste huidige encryptiemethoden te kraken. Kouwenhoven verwacht dat quantum essentiële doorbraken gaat opleveren, omdat het de mens eindelijk in staat stelt de wisselwerking van stoffen en materialen nu echt op het niveau van moleculen en atomen te berekenen. „We kunnen nu van een paar simpele, kleine moleculen doorrekenen hoe ze werken. Maar van suikermoleculen die zo belangrijk zijn in ons lichaam kan dat niet. Dus is het ook nog niet mogelijk om echt te voorspellen hoe medicijnen reageren op een individu”, zegt hij.

Een ander voorbeeld is de productie van kunstmest, die overal ter wereld plaatsvindt via een vergelijkbaar energievretend proces, die een paar procent van het wereldenergieverbruik opeist. „We weten dat er een algje is dat dezelfde verbinding maakt, zonder al die energie. Hoe dat werkt op moleculair niveau, zou je kunnen uitrekenen, maar niet met de huidige computers.”

Over tien jaar

Niet dat Kouwenhoven al bijna een werkende quantumcomputer heeft. „Als het meezit, lukt dat over tien jaar”, zegt hij. Daarmee lijken Kouwenhoven en Microsoft een enorme achterstand te hebben op IBM, dat al een eerste quantumcomputer online heeft. De huidige quantumcomputers zoals die van IBM, die nu 50 quantumrekeneenheden (qubits) sterk is, zijn volgens Kouwenhoven echter gebaseerd op een type qubit dat nu nog te veel fouten maakt. Volgens een medewerker die uitleg bij een koeltoestel geeft, is de kans dat de huidige quantumcomputers het juiste antwoord geven, zelfs nul procent, vanwege de enorme storingsgevoeligheid.

Kouwenhoven ontwikkelt echter een technologie met op majoranadeeltjes gebaseerde qubits, die veel minder kwetsbaar moet zijn. Daarmee denkt hij veel beter in staat te zijn om een computer te bouwen met niet enkele of enkele tientallen qubits, maar met duizenden of miljoenen stuks. „Dan wordt het pas indrukwekkend”, zegt hij.

Is dat gelukt, dan biedt dat voor Nederland goede kansen. „Onder andere hier in Delft, Leiden en Eindhoven is veel onderzoek naar nanotechnologie en quantummechanica en dat blijkt nu voor quantumcomputers heel belangrijk”, zegt hij.

We zullen wel moeten, denkt Kouwenhoven. „Quantum is geen kunstmatige truc, maar de manier waarop de natuur werkt. Het zuinig omgaan met de natuur, de energie en de grondstoffen op aarde kan zoveel beter, maar dan zal je dat op een manier moeten doen op het niveau van de atomen en de moleculen. Dat is quantummechanica. En ik denk dat we dat nodig hebben om hier een goede aarde te kunnen behouden.”

Wouter van Bergen

Meer nieuws uit Achtergrond

Ombudsman

Ombudsmannen Durk Geertsma & Ed Brouwer springen in de bres voor de consument.