TIEN DOORBRAKEN: VAN SLIMME MATERIALEN TOT EFFICIËNTE PLANTEN

2 De supercomputer

Tien tot de macht vijftig keer sneller rekenen, om echt alles te kunnen kraken.

Medium chip

Hij bestaat in theorie, maar nog niet in het echt: de supersnelle kwantumcomputer, een doorbraak die hoog op het verlanglijstje van veel onderzoekers staat. Want hoewel steeds snellere computers in de afgelopen decennia een wetenschappelijke stroomversnelling veroorzaakten, lijkt de rek er inmiddels uit. Nog veel sneller is met de bestaande algoritmen en techniek niet mogelijk. En dus heeft de wetenschap de hoop gevestigd op quantum computing, de meest krachtige rekentechniek denkbaar binnen het huidige paradigma van de natuurkunde.

In zijn bijdrage legt informaticus Ronald de Wolf uit hoe het zit: ‘Een klassieke bit, waaruit de huidige computers zijn opgebouwd, kan maar één waarde hebben, namelijk 0 of 1. Een kwantumbit, of qubit, is een superpositie van deze twee waardes, en is dus 0 en 1 “tegelijk”. Computers bestaande uit qubits kunnen hierdoor een enorme capaciteit krijgen. Een systeem van twee gekoppelde qubits heeft al vier waardes tegelijk (00, 01, 10 en 11), drie gekoppelde qubits hebben er acht, en een systeem van duizend qubits kan tegelijk twee tot de macht duizend verschillende waardes aannemen. Dat is een kolossaal getal, veel groter dan het aantal elementaire deeltjes in het heelal!’

De kwantumcomputer is een uitvloeisel van de kwantummechanica, ‘de wetenschap die ons leert waaruit materie bestaat, van het niveau van elementaire deeltjes tot het niveau van vaste stoffen’, aldus nanowetenschapper Dries van Oosten. Het is een van die theorieën die net zoveel verwarring zaait als raadsels oplost. Dat komt doordat kwantumdeeltjes iets doen wat ons voorstellingsvermogen bijna te boven gaat: ze kunnen op twee plekken tegelijk bestaan. Vergelijkbaar – zo gaat een klassiek gedachte-experiment – met een toestand van dood en levend tegelijk.

Op allerlei fronten wordt kwantumfysica ingezet om de kracht van computers te verbeteren, zo blijkt uit de enquête van De Groene Amsterdammer. Dries van Oosten bijvoorbeeld houdt zich bezig met spintronica, een op kwantummechanica gebaseerd alternatief voor elektronica waarbij deeltjes niet elektrisch maar magnetisch worden geladen, en daardoor minder heet worden. Handig, ‘want in moderne computers is het een groot probleem hoe de warmte die wordt opgewekt efficiënt weg te voeren’, aldus Van Oosten. Natuurkundige Sense Jan van der Molen werkt aan het maken van transistoren op basis van individuele moleculen in plaats van op siliciumbasis, wat nu gebruikelijk is. ‘Hierdoor zouden we, op papier, computerchips kunnen maken die honderden keren kleiner zijn dan de huidige.’ Beide onderzoeken kunnen van pas komen bij het bouwen van een kwantumcomputer.

Door verschillende onderzoekers wordt likkebaardend nagedacht over wat er allemaal mogelijk is met deze uitvinding. Crypto­grafen zien ongekende mogelijkheden om nieuwe codes te ontwikkelen, of ze juist te kraken, genetici zouden nog sneller dna kunnen lezen en wiskundigen kunnen sommen maken die nu nog te ingewikkeld zijn. Zo voorziet hoogleraar wiskunde Bas Edixhoven de mogelijkheid om na te gaan of een getal van honderd of meer cijfers nu wel of geen priemgetal is. Daar zijn minstens tien tot de macht vijftig delingen voor nodig. ‘Ook al gebruikt men tien miljard computers die tien miljard delingen per seconde doen, dan duurt dit nog steeds langer dan miljard keer miljard jaar’, schrijft hij. Snelle quantum computing lost dit probleem op. >

Ook de chemici denken hardop na over een nieuw tijdperk dat begint als deze revolutie er eenmaal is. Daan Frenkel, hoofd van de chemiefaculteit van de Universiteit van Cambridge, hoopt deze doorbraak aan te wenden om de bewegingen van moleculen beter te kunnen voorspellen. Bij simpele materialen als water, silicium en rubber kan dat nu al, maar met gebruik van kwantumrekenkracht kunnen ook de molecuulbewegingen in bijvoorbeeld levende organismen worden gesimuleerd, denkt Frenkel.

Er is echter één probleem: de wetenschap is er nog niet uit of de kwantumcomputer überhaupt kan bestaan. Er zijn wel enkele experimenten gedaan met apparaten van maximaal tien qubits, maar the real thing zou er honderden tot duizenden moeten bevatten, stelt Ronald de Wolf. Het is de vraag of dat fysiek mogelijk is. Omdat ze zo minuscuul zijn, hebben kwantumdeeltjes namelijk de vervelende eigenschap zeer gevoelig te zijn voor ruis en kleine afwijkingen. Lastig als je een stabiele computer wilt bouwen. ‘Er is wel een theoretische oplossing, quantum error-correction, maar nog geen praktische, waardoor een grootschalige kwantumcomputer momenteel experimenteel nog niet haalbaar is’, aldus De Wolf.

Gelukkig kwam vorige maand goed nieuws uit Delft: het team van de natuurkundige Leo Kouwenhoven nam voor het eerst het zogeheten Majorana-deeltje waar. Majorana’s, vernoemd naar de Italiaanse natuurkundige die het bestaan van deze deeltjes als eerste opperde, kunnen een belangrijke bouwsteen voor de kwantumcomputer vormen: ze zijn robuuster en minder gevoelig voor storingen, aldus de Delftse onderzoekers. Prettig voor de wetenschap én voor computergigant Microsoft die het onderzoek betaalde. Want niet alleen de wetenschap, ook de computerindustrie zit te springen om een heel nieuwe generatie apparaten. En dat is nog maar één toepassing. Want, zoals chemicus Frenkel het verwoordt: ‘Als het zou lukken om op grote schaal kwantumcomputers te bouwen, dan kunnen we problemen oplossen waarover we nu nog niet eens durven dromen.’


Beeld: een chip met een vuiltje. Courtesy Dennis Kukel Microscopy, Inc. / Visuals Unlimited / Corbis