Op naar de quantumcomputer

Door nano-draadjes naar Majorana-deeltjes naar qubits

In het Microsoft-lab in Delft werkt Leo Kouwenhoven aan de quantumcomputer, die een doorbraak in de technologie zou betekenen. ‘Met de quantumcomputer zou je wel eens bij het hart van de natuur uit kunnen komen.’

Medium 1501kouwenhoven03
Leo Kouwenhoven in het QuTech-lab in Delft. Rechts de quantumchip die wordt gebruikt om Majoranadeeltjes te meten © Foto’s Microsoft

‘En hier is dan de quantum cloud’, zegt hoogleraar natuurkunde Leo Kouwenhoven zonder enig dramatisch vertoon als we het laboratorium aan de Technische Universiteit van Delft binnen lopen. Hij moet iets harder praten om boven het luide gezoem van de apparatuur in de ruimte uit te komen en wijst naar links. De stellage daar ziet eruit als een uit de hand gelopen experiment in een garage. Verschillende buizen, slangen en andere onderdelen lijken provisorisch te zijn verbonden aan een aantal cilindervormige containers die in de lucht zijn opgehangen. ‘Hier zijn we begonnen en, zoals je ziet, is het allemaal wat rommelig.’ De linkerzijde van het lab, QuTech, hoort bij de TU Delft, de universiteit waar Kouwenhoven in 1992 cum laude promoveerde en waar hij sinds 1999 als hoogleraar aan verbonden is.

In de cilinders wordt de temperatuur constant op 0,01 Kelvin, -273 graden Celsius, gehouden: de absolute minimumtemperatuur, kouder dan diep in het heelal. ‘We weten namelijk dat bij die temperaturen superposities ontstaan.’ En die superposities zijn precies waar Kouwenhoven en zijn team mee willen werken.

In de ‘gewone’ natuurkunde, de wereld waar wij in leven en de wereld waar onze ‘gewone’ computers in werken, heeft elk materieel object, een stoel of een bal, een goed bepaalde positie. Een stoel kan op plaats A zijn óf op plaats B. De informatie over waar die stoel zich bevindt is binair: A of B. Een stoel kan niet op twee plaatsen tegelijk zijn, net zoals wij ook niet op twee plaatsen tegelijk kunnen zijn. Deze ‘wet’ en ook andere wetten van de klassieke natuurkunde helpen ons een groot deel van het heelal te verklaren. En op de schaal van mensen, stoelen of auto’s kloppen deze wetten ook altijd. We kunnen dus voorspellen wat er gebeurt.

Op het niveau van atomen en moleculen is gebleken dat die regels niet zomaar meer opgaan. Het gedrag van deeltjes op nano-schaal is totaal anders en de klassieke natuurkunde ‘werkt’ niet meer. Daar blijkt bijvoorbeeld dat een deeltje op meerdere plaatsen tegelijk kan zijn. De informatie over de plek van dat deeltje is dan opeens niet meer binair, dus ofwel op plaats A ofwel op plaats B, maar wordt ‘quantum’. Dat wil zeggen dat zo’n deeltje zich niet meer op één bepaalde plek bevindt, maar dat het zowel op plek A als op plek B kan zijn. Het deeltje heeft een superpositie aangenomen.

Wat moet ik me hier nu eigenlijk bij voorstellen? Hoe kan dit nou? Kouwenhoven lacht: ‘Tja, taal is eigenlijk ontoereikend om deze concepten goed te beschrijven. Wij natuurkundigen en wiskundigen praten met elkaar in formules en die formules zijn hartstikke helder. Daardoor weten we precies wat we moeten doen. Maar het beschrijven met woorden is soms heel erg moeilijk.’ Toch moeten we een poging doen, want de quantumwereld is belangrijk voor onze toekomst.

Met deeltjes in een dergelijke superpositie, deeltjes die dus tegelijk op twee plekken kunnen zijn, kun je een quantumcomputer bouwen die veel sneller berekeningen kan uitvoeren dan welke computer ook. Een dergelijke computer kan namelijk veel meer informatie tegelijkertijd verwerken. Dit is dan ook de reden dat de grote technologiebedrijven enorme investeringen doen in de ontwikkeling van deze technologie.

Even later staan we aan de rechterkant van de ruimte: het lab van Microsoft, de technologiegigant waar Kouwenhoven inmiddels in dienst is en die een belangrijke concurrent aan het worden is van bedrijven als ibm en Google in de verwezenlijking van de quantumcomputerdroom. De materialen hier zijn nieuwer, maar het principe van de koelmachines is precies hetzelfde. Kouwenhoven: ‘Het is eigenlijk heel simpel. In feite hebben we hier alleen elektriciteit en koelwater nodig.’ Boven ons hoofd lopen gekleurde buizen waar het koelwater doorheen stroomt. En de ijskoude cilinders natuurlijk, die vijfhonderdduizend dollar per stuk kosten.

Kouwenhoven is blij om voor Microsoft te werken: ‘Het is niet alleen fijn dat er geld is voor materialen en machines, het is ook erg handig dat er zo veel kennis is binnen het bedrijf. Als ik een bepaald soort machine of apparaat nodig heb voor een zeer specifieke taak, dan bouwen zij die gewoon. Zonder alle functies die overbodig zijn voor die ene taak.’ De trotse handtekening van Henk Kamp, voormalig minister van Economische Zaken, prijkt, samen met die van Kouwenhoven, op een van de cilinders. Is de investering van Microsoft hier in Delft een paradepaardje van de Nederlandse overheid? ‘Ja, dat zou je zo wel kunnen zeggen.’

Op het grensvlak van computerwetenschap en quantumnatuurkunde bevindt zich de zo fel begeerde quantumcomputer. Bouwstenen voor een dergelijke computer zijn qubits, de eenheid van quantuminformatie. Een van de eigenschappen van een qubit is dat die een superpositie kan aannemen.

‘We kunnen zorgen voor voldoende energie, zout water zoet maken, verwoestijnde gebieden leefbaar maken’

De klassieke computer bestaat uit bits, digitale informatie die is opgebouwd uit reeksen van de binaire waarden 0 en 1. De quantumcomputer bevat daarentegen qubits die een combinatie van 0 en 1 tegelijkertijd kunnen bevatten. Die eigenschap maakt dat de rekensnelheid van de quantumcomputer exponentieel toeneemt met alle mogelijke combinaties. Daarmee zouden berekeningen kunnen worden uitgevoerd die op dit moment nog niet eens door alle computers in de wereld samen zouden kunnen worden gedaan. Logisch dat ibm, Google en Microsoft enorme investeringen doen in de ontwikkeling van een quantumcomputer. Wie als eerste deze technologie ontwikkelt, zal een dikke streep voor hebben op de anderen.

ibm heeft inmiddels een technologie ontwikkeld met vijftig qubits, maar die qubits zijn nog niet erg stabiel en dus niet zo geschikt als bouwstenen voor iets groots. Kouwenhoven legt uit: ‘Vergelijk het met een kaartenhuis dat je maakt van vijftig kaarten. Je kunt zoiets heel voorzichtig bouwen, maar bij het minste of geringste zal het kaartenhuis in elkaar storten.’ Daar kun je dus in de praktijk niet zoveel mee.

Microsoft heeft weliswaar nog geen qubits ontwikkeld, maar verwacht veel van de zogenaamde Majorana-fermionen, deeltjes die in de bevroren cilinders ontstaan door een stroom te leiden door een dun nano-draadje van halfgeleidend en supergeleidend materiaal. Dat materialen bij zeer lage temperaturen supergeleidend kunnen worden werd overigens al in 1911 ontdekt in Leiden door Heike Kamerlingh Onnes. Kouwenhoven ging hierop door.

In maart van dit jaar publiceerde hij onderzoek dat de aanwezigheid van deze deeltjes bevestigt in een artikel in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Nature. De bedoeling is dat deze superpositiedeeltjes zich in de cilinders met elkaar gaan verknopen en op die manier qubits gaan vormen. Kouwenhoven legt mij uit dat dit soort qubits veel stabieler zullen zijn: ‘Vergelijk het met legoblokjes. Als je die eenmaal hebt gemaakt, dan kun je makkelijk met een paar duizend van die blokjes iets bouwen dat veel robuuster is dan een kaartenhuis.’ Zijn de Majoranadeeltjes dan nóg kleiner dan atomen? Kouwenhoven: ‘Nee, de Marjoranadeeltjes zijn zelfs groter dan atomen! Het zijn namelijk collectieve deeltjes. Ze worden samengesteld uit elektronen van verschillende atomen.’

De verschillende collectieve onderdelen gedragen zich tezamen alsof ze één deeltje zijn. Ze worden dan ook wel ‘quasi-deeltjes’ genoemd. Kouwenhoven legt uit waarom ze zo robuust zijn door een vergelijking te maken met de ‘wave’ in een stadion. ‘Als één persoon in het stadion niet meedoet, dan maakt dat niet zo veel uit. De wave, het collectief, blijft dan toch bestaan.’ De collectiviteit van het deeltje maakt het dus juist zo sterk. De Majoranadeeltjes zijn van zichzelf per definitie in een superpositie en daarom zijn ze zo geschikt om qubits mee te bouwen. En de qubits worden uiteindelijk dan weer de bouwstenen voor de quantumcomputer.

Even later zit ik met Kouwenhoven in zijn werkkamer. Hij vertelt over het kunstmestprobleem dat bij Microsoft werd geanalyseerd. De kunstmatige productie van mest wordt op dit moment uitgevoerd volgens het zogenaamde Haber Bosch-proces: een bepaalde chemische reactie tussen moleculen die leidt tot de vorming van ammoniak. Dat kost op dit moment meer dan drie procent van de wereldwijde aardgasproductie en is dus zeer energie-intensief.

‘Tegelijkertijd weten we dat de natuur dit zelf kan’, zegt Kouwenhoven. ‘En we weten dus dat het veel makkelijker moet kunnen, zonder al het energieverbruik. Er zijn echter zó veel verschillende combinaties mogelijk van de manieren waarop moleculen met elkaar reacties aangaan dat de berekeningen te gecompliceerd worden en te lang gaan duren voor gewone computers, zelfs als ze allemaal tegelijkertijd samen zouden werken. Met een quantumcomputer zou je dit probleem wél kunnen oplossen.’

Zo zijn er tal van moleculaire, chemische problemen die je met een quantumcomputer zou kunnen oplossen. Quantumcomputers zouden exacte simulaties kunnen uitvoeren van moleculen en het complexe gedrag van hun elektronen en op die manier kunnen bijdragen aan het beter omgaan met onze natuurlijke bronnen en materialen. ‘Denk aan de circulaire economie. Alles wordt simpeler, want we zouden weten hoe we het precies moeten doen.’ Met de quantumcomputer zouden ook nieuwe medicijnen veel sneller kunnen worden ontwikkeld. Ten slotte is de cryptologie, de versleuteling van informatie, een belangrijk toepassingsgebied van de quantumcomputer.

Kouwenhoven omschrijft zichzelf als techno-optimist. ‘Natuurlijk moet de politiek het ook willen, maar zonder technologie ga je het sowieso niet redden.’ Hij ziet wel degelijk dat er ook gevaren zijn. ‘Dat geldt niet alleen voor quantum, maar voor alle technologie. Denk bijvoorbeeld aan kunstmatige intelligentie. Die gaat de maatschappij enorm veranderen. En quantum gaat dit hele proces nog verder versnellen. We zitten in een overgangsperiode, denk ik. We gaan misschien langer en gezonder leven, maar tegelijkertijd zijn er grote gevolgen voor de arbeidsmarkt. Mensen die zonder baan komen te zitten, groeiende ongelijkheid, dat zijn grote problemen.’

‘We moeten nog dat dal door. Ik verwacht dat we daar over vijf jaar aankomen en dán gaan we echt bouwen’

Toch benadrukt hij de voordelen: ‘Technologie kan ook democratiseren. We kunnen zorgen voor voldoende energie, zout water zoet maken, verwoestijnde gebieden weer irrigeren en leefbaar maken.’ Maar het gaat Kouwenhoven niet alleen om dergelijke praktische toepassingen van (quantum)technologie. Zijn optimisme is fundamenteler van aard. ‘Ik denk dat quantumtechnologie ons dichter bij de natuur kan brengen. De natuur is namelijk intrinsiek quantum. Ons lichaam, elke chemische reactie in ons lichaam, is quantum. Zelfs ons denken is een aaneenschakeling van chemische reacties en dus quantum. Met de quantumcomputer zou je wel eens bij het hart van de natuur uit kunnen komen. Dan is de cirkel weer rond.’

Omdat wij mensen echter slechts binair kunnen denken, zien we een groot deel van die quantumwerkelijkheid niet. Kouwenhoven noemt de beroemde allegorie van Plato’s grot waar de vastgeketende gevangenen slechts schaduwen zien op de rotswand en echo’s horen van geluiden. Omdat ze nooit iets anders hebben gezien of gehoord in hun leven gaan ze ervan uit dat de echo’s en de schaduwen de werkelijkheid zijn. En als iemand ze zou uitleggen wat de échte werkelijkheid is, dan zouden ze het niet kunnen begrijpen. Ze zouden zich er simpelweg niets bij voor kunnen stellen.

Dit is dan ook de verklaring voor een andere magische eigenschap van quantummetingen: zodra je als mens tijdens de berekeningen van een quantumcomputer gaat kijken wat er precies gebeurt, stort het kaartenhuis in en nemen de deeltjes weer een vaste positie in; de superpositie is direct verdwenen. De informatie wordt dan weer binair, dus 0 of 1, omdat dit nu eenmaal de enige manier is waarop wij kunnen kijken. Door te observeren verander je dus de uitkomst van een meting. Hoe is het dan mogelijk om überhaupt iets zinnigs te meten?

Kouwenhoven vergelijkt het met een doolhof. ‘De quantumcomputer kijkt van bovenaf naar het doolhof en berekent in een flits alle mogelijke routes en de snelste weg naar de uitgang. Pas als die uitgang gevonden is gaan wij kijken. Als we kijken tijdens de berekening, dan staan we zelf opeens weer in dat tweedimensionale doolhof en is de overzichtspositie van bovenaf, de superpositie, verbroken. Maar als we pas helemaal op het eind gaan meten, dan weten we wél wat de uitkomst is en hebben we dus snel de oplossing verkregen.’

Eerst moeten de Majoranadeeltjes in de vriezers zich met elkaar gaan verknopen, zodat qubits worden gevormd: de bouwstenen van de quantumcomputer. Om te kijken of dit gebeurt, worden voortdurend metingen uitgevoerd in de ijskoude cilinders. Daarvoor hoeft overigens niemand fysiek aanwezig te zijn in het lab. Via de cloud kun je van over de hele wereld inloggen op de cilinders in Delft en metingen uitvoeren. Als we op een van de computers in de werkruimtes boven het lab zien dat er iets gebeurt, legt Kouwenhoven uit dat het iemand is die vanaf een andere plek een meting aan het doen is.

Zo zal het later ook zijn als we zelf quantumcomputers hebben. ‘Quantum zal een add-on zijn op je gewone computer. Nu al is het zo dat op een computer verschillende functies zitten. Grafische problemen worden dan bijvoorbeeld aan de grafische chip toegewezen. Met de quantumcomputer zullen specifieke problemen aan de quantumchip worden toegewezen.’ Een ijskoude vriezer aan je laptop bevestigen is dan ook niet nodig. Je logt in op de cloud en komt via die cloud in de vriezer in Delft terecht. En dus ook bij Microsoft in dit geval.

In het nano-lab, ook in Delft, worden de minuscule, supergeleidende nano-draadjes ontwikkeld die in de vriezers zitten. Vervolgens wordt met een grote batterij stroom opgewekt en daarmee een magnetisch veld waardoor de Majoranadeeltjes ontstaan. Daar kunnen onderzoekers van over de hele wereld metingen op loslaten. ‘Die metingen doen we achter elkaar. Op een logische, rationele, menselijke, binaire volgorde.’ Maar dat wordt de komende jaren waarschijnlijk anders. ‘Dan gaan we werken met een meetvolgorde die de computer via deep learning uitvindt.’

Die metingen zijn dus ‘slimmer’, zonder dat wij weten waarom. De metingen worden dan veel meer ‘gerandomiseerd’. Het doel is in beide gevallen om te achterhalen of sprake is van ‘verknoping’ of vervlechting van de Majoranadeeltjes tot qubits. Kouwenhoven vertelt dat de Inca’s al verhalen aan elkaar vertelden in de vorm van knopen. De vorm van de knoop gaf de informatie. ‘Je kunt ook rekenen met knopen in plaats van met getallen. Dat is echt ingewikkeld. Ik kan het een klein beetje, maar als het ingewikkelder wordt moet ik al snel afhaken.’

Het is lastig voorspellen wanneer de quantumcomputer er zal zijn. Kouwenhoven staat op en tekent een grafiek op het witte bord in zijn werkkamer. Op de verticale as staan de verwachtingen rondom een bepaalde technologie en op de horizontale as de tijd. ‘Wat we zien is dat bij elke nieuwe technologie de verwachtingen eerst omhoog gaan, en ook steeds harder omhoog gaan (hij tekent een parabool in de grafiek). Dan bereiken die verwachtingen een top en dan nemen ze plotseling af, en ook dat gaat steeds harder. Totdat je in de zogenaamde “trog”, het dal van de desillusie (trough of desillusion) terechtkomt: de verwachtingen zijn zeer laag. Pas ná dit dal kun je echt gaan bouwen. Je zag dat gebeuren met kunstmatige intelligentie. Dat ging eerst omhoog, toen hard omlaag. En nu zijn we voorbij het dal en begint het echte werk.’

En waar zit de quantumcomputer? Kouwenhoven zet een asterisk bij twee jaar, aan de linkerkant van de top. ‘De verwachtingen zijn nu nog aan het stijgen, maar we moeten nog dat dal door. Ik verwacht dat we daar over vijf jaar aankomen en dán gaan we echt bouwen.’

Angela Kou, een jonge Aziatisch-Amerikaanse vrouw uit New York die nu permanent in Amsterdam woont, zit achter haar computer en doet metingen in een van de cilinders. ‘En, heb je al qubits gezien?’ vraag ik haar. Ze glimlacht beleefd: ‘Nee, nog niet.’ Ik vraag Kouwenhoven wat er zou gebeuren als Angela nu plotseling qubits zou waarnemen in haar metingen. Rent ze dan naar zijn werkkamer? Gooit ze de deur open? Hebben ze een feestje? Gaat de vlag uit? Is er champagne? Hij lacht en antwoordt: ‘Ja, dat gaan we zeker groots vieren!’