Leo Kouwenhoven, winnaar van de Spinoza-prijs en ontdekker van het Majorana-deeltje, sprak op het SURF Resarch & Innovation Event op 28 februari over ‘kwantum-rarigheden in technologie’. Zijn team aan de TU Delft buigt zich over de vraag of het gedrag van fundamentele deeltjes verwerkt kan worden in een structuur die zichtbaar is met het blote oog en kan leiden tot de bouw van een kwantumcomputer.
In onze wereld van klassieke natuurwetten is het niet mogelijk om op twee plaatsen tegelijkertijd te zijn. In de kwantummechanica kan dit echter wel, omdat die wereld andere wetten gehoorzaamt en de status van iets kan veranderen door het te meten. Wie even kwijt is hoe het zat, kijkt nog even naar TBBT’s Sheldon’s uitleg over Schrödingers Kat.
Verstrengeling
Dat elektronen op twee plaatsen tegelijk kunnen zijn is al raar genoeg, maar het wordt nog vreemder. Wanneer twee deeltjes met verschillende eigenschappen (bijvoorbeeld een foton en een elektron) heel dicht bij elkaar worden gebracht, nemen ze elkaars eigenschappen over. Ook wanneer ze daarna gescheiden worden – al zit daar 97 kilometer tussen – behouden ze hun verstrengelde staat. Tot een van hen wordt gemeten. Dan vervallen de deeltjes onmiddellijk allebei naar hun oorspronkelijke eigenschappen. Wordt een van de deeltjes verstrengeld met een derde, dan nemen alle drie elkaars eigenschappen aan en ook dan verandert hun kwantumtoestand zodra deze wordt gemeten.
Data via licht
Kouwenhoven: “Stel dat we dit in technologie kunnen gebruiken, dat een plaatselijke actie leidt tot een verandering op afstand.” Combineer dit met de wetenschap dat lichtdeeltjes (fotonen) informatie kunnen overdragen en de mogelijkheid van een kwantumcomputer wordt duidelijk. (Op dit punt beginnen Trekkies ook opgewonden “teleportatie” te fluisteren). De truc is nu om een constructie te bouwen die groot genoeg is om te functioneren als computer.
Groter, complexer
Een begin is gemaakt door de Di Carlo Group in Delft. “Wij zijn de fietsenmakers onder de academici,” zegt Kouwenhoven. “In Delft bouwen wij dingen.” Zoals een “magnetronachtig” doosje, waarin met het blote elektronische schakelingen – qubits – zijn te zien, die bij elkaar gebracht kunnen worden (superpositie) en te manipuleren zijn. “We maken ze van verschillende materialen zoals halfgeleiders, supergeleiders en diamant. Met name de supergeleidende qubits kunnen millimeters groot gemaakt worden en dus zijn die zichtbaar met het blote oog.” Maar het kan groter. De Hanson Groep in Delft publiceert binnenkort in Nature onderzoeksresultaten over een veel groter systeem.
2020
Waarom de wereld daarop zit te wachten is omdat de grote problemen van nu (factoriseren van grote getallen), niet kunnen worden berekend met klassieke computerkracht. Bits zijn enen en nullen en dat is het, maar qubits hebben veel meer dimensie (|0> en |1>). Een kwantumcomputer kan dus veel meer berekeningen tegelijkertijd uitvoeren. Kouwenhoven hoopt op het eerste werkende prototype kwantumcomputer van 20 qubits rond 2020, het jaar dat hij met pensioen gaat.
Maar het kan niet
Het fascinerende aan kwantummechanica is dat volgens alle natuurkundige wetten die we kenden, het niet mogelijk is dat deeltjes op twee plaatsen tegelijk kunnen zijn en zij zich na verstrengeling nog steeds gedragen of ze verbonden zijn. Dankzij de wiskundige Richard Feynmann is nu te voorspellen hoe deeltjes zich gaan gedragen, maar het waarom blijft vooralsnog een mysterie. Dat verklaart wellicht ook de aantrekkingskracht van het vakgebied op minder wetenschappelijke geesten. Maar zoals Kouwenhoven zegt: “Kwantummechanica is raar en vreemd, maar niet alles dat raar en vreemd is, is kwantummechanica.”
Kouwenhoven spreekt maandag 4 maart bij De Wereld Leert Door om 22:25 uur op Ned 3.
