De Belgische ingenieur Lieven Vandersypen is een wereldexpert wat betreft de ontwikkeling van een totaal nieuwe computer: de kwantum-computer. Die gebruikt kwantumprincipes om krachtiger te worden dan de huidige computers.
Veel kinderen spelen voetbal of doen aan ballet om zich bezig te houden, en als ze al iets lezen zijn het tijdschriftjes vol puberale beslommeringen. Sommige kinderen pakken het anders aan. Lieven Vandersypen wilde zowel cowboy als uitvinder worden. Hij bouwde kampen, maar las ook boeken over wetenschap. Hij cultiveerde een speciale belangstelling voor de kwantumwereld, onder meer omwille van het filosofische tintje dat eraan vasthing. De kwantumwereld is de wereld van de allerkleinste deeltjes, die zich totaal anders gedragen dan wat wij in ons macroscopische bestaan gewoon zijn.
‘Ik was door nog andere zaken geboeid’, vertelt Vandersypen in zijn kantoor aan de Technische Universiteit in het Nederlandse Delft. ‘Zo was ik aanvankelijk sterk geïnteresseerd in micro-elektromechanische systemen, maar het probleem daarmee was: zodra ik doorhad hoe ze functioneren, was de fascinatie grotendeels weg. Dat heb ik niet met de studie van kwantumeffecten. De initiële verbazing gaat er misschien wat af, maar toch vraag ik me nog regelmatig af: hoe is het mogelijk dat we zien wat we zien? Het blijft boeiend te spelen met de grens tussen determinisme, tussen wat je met vaste wetten kunt afleiden, en probabiliteit, waarin je een uitkomst van een handeling nooit kunt voorspellen. Dat is een andere wereld dan de wereld die de meeste mensen kennen.’
Vandersypen kwam na zijn studie aan de Katholieke Universiteit Leuven in de prestigieuze universiteit van het Amerikaanse Stanford terecht, waar hij een doctoraatsonderzoek deed naar het gebruik van kwantumcomputers voor het maken van berekeningen. Hij slaagde er met zijn collega’s in 2001 in een kwantumcomputer voor het eerst een ‘ingewikkelde’ berekening te laten uitvoeren.
‘Voor wij aan onze experimenten begonnen, was geen enkel systeem er ooit in geslaagd verder te raken dan 1 + 1 = 2’, vertelt hij. ‘Maar wij slaagden erin een kwantumcomputer het getal 15 te laten opsplitsen in zijn priemgetallen 5 en 3. Dat lijkt wat onnozel, maar technisch was het een huzarenstukje. Het was in feite een doorbraak.’
Het is notoir ingewikkeld om een getal op te splitsen in deelgetallen, zeker als het om grote getallen gaat, want een computer moet dan gewoon alle mogelijkheden aflopen. De cryptografie, waarmee boodschappen op het internet versleuteld worden (zoals het doorsturen van kredietkaartgegevens naar internetwinkels), steunt sterk op de onmogelijkheid grote getallen snel op te splitsen in hun deelgetallen. Een kwantumcomputer zou dat wel kunnen, hoewel Vandersypen benadrukt dat dat niet in de bedoeling ligt: ‘Wij willen bedrijven als Amazon.com niet in de problemen brengen. Als we hun code zouden kraken, zouden we er een andere moeten maken, en ik vind niet dat we daarmee een belangrijke bijdrage aan de mensheid zouden leveren. Kwantumcomputers zullen voor heel andere dingen nuttig zijn, onder meer om de kwantumwereld zelf beter te begrijpen. Het is onbegonnen werk om op een normale computer een kwantumsysteem te simuleren.’
Kabels zonder stroomverlies
Zo is supergeleiding bij relatief hoge temperaturen een probleem. Het concept is al meer dan twintig jaar bekend, maar wetenschappers weten nog altijd niet hoe het werkt. Bij supergeleiding verliest een materiaal zijn weerstand tegen elektrische stroom, zodat we met supergeleidende materialen elektrische kabels zonder stroomverlies zouden kunnen maken, of uiterst efficiënte elektrische motoren. Maar de kwantumfysica van het principe raakt niet verklaard, waardoor het moeilijk blijft het systeem te doorgronden en nuttig aan te wenden.
De transistors van vandaag zijn ook zo klein geworden dat kwantumeffecten hun werking beginnen te beïnvloeden. Zelfs met supercomputers krijg je niet meer dan een grove benadering van de problemen die zich daardoor aandienen. Met kwantumcomputers zou je die situatie snel kunnen simuleren, omdat je snel een enorm aantal berekeningen kunt uitvoeren.
Om hun initiële rekenwerk tot een goed einde te brengen, gebruikten Vandersypen en zijn collega’s een molecule die ze speciaal voor de gelegenheid lieten maken. Het duurde een jaar voor scheikundigen van de computerreus IBM het voor elkaar kregen. Het moest een héél asymmetrische molecule zijn, met zeven atomen waarvan de spin afzonderlijk gemeten kon worden, en waarbij de spins van alle atomen aan elkaar gekoppeld waren.
De spin is een eigenschap die aangeeft in welke richting een deeltje zoals een atoom of een elektron om zijn as draait. Een spin kan omhoog (op) of omlaag (neer) wijzen – dat zijn analogieën met de 0 en 1 uit de huidige computerwereld. De spin kan gemeten worden door het deeltje in een magnetisch veld te brengen. Uit de meetresultaten kan de uitkomst van een berekening gepuurd worden – bijvoorbeeld de 5 en 3 als samenstellende priemgetallen van 15.
Maar in de kwantumwereld kan een deeltje tegelijk spin op en spin neer hebben – superpositie heet dat in het jargon. De spins van twee deeltjes kunnen daarenboven met elkaar verstrengeld zijn: hun toestanden zijn dan met elkaar verweven op een manier die alleen in de kwantumwereld mogelijk is. ‘Superpositie en verstrengeling geven een exponentiële stijging van het aantal berekeningen dat je tegelijk kunt doen’, legt Vandersypen uit. ‘Daarin ligt het grote voordeel van kwantumcomputers in vergelijking met de huidige computers. Ze zullen eindeloos veel krachtiger zijn, althans voor het oplossen van specifieke wiskundige en natuurkundige vraagstukken. Maar voorlopig verwachten we niet dat iedereen thuis zijn eigen kwantumcomputer zal hebben.’
Het uitvoeren van veel parallelle berekeningen geeft veel uitkomsten, maar als je in de kwantumwereld iets meet krijg je, net als in onze wereld, slechts één, in dit geval willekeurig, getal als eindresultaat. Daar ben je natuurlijk niets mee. In de kwantumwereld kun je alle uitkomsten echter met elkaar laten interfereren, zodat ze elkaar kunnen versterken of verzwakken, als golven die op een strand rollen. Je kunt een systeem invoeren waarbij de gewenste uitkomsten versterkt worden en de ongewenste verzwakt, zodat je er finaal toch uit komt.
Het is héél moeilijk om zoiets visueel voor te stellen – kwantumexperts denken vooral in wiskundige formules. Toch doet Vandersypen tijdens lezingen een poging, een soort kwantumdansje met zijn twee armen die elk de spin van een deeltje evoceren, waarbij de beweging van de ene arm afhangt van wat de andere doet. Maar zelfs daarmee kan hij verstrengeling van spins niet simuleren, want dan zouden zijn twee armen onlosmakelijk in elkaar moeten overgaan. Dat krijgt zelfs een inventief kwantumfysicus niet voor elkaar.
‘Het is echter niet omdat kwantum-effecten weinig zichtbaar zijn in onze wereld, dat we ze niet moeten proberen uit te leggen’, vindt Vandersypen. ‘Een peuter is niet verwonderd als hij een filmpje ziet waarin een bal omhoog rolt, hoewel dat in feite niet kan. Kinderen snappen nog altijd dat een spin tegelijk in twee richtingen kan bestaan, maar voor volwassenen, die al lang gewend zijn aan de be-perkingen van hun macroscopische leefwereld, kan dat niet meer. Mensen leren hun intuïtie te laten schieten om plaats te maken voor routine. Gelukkig willen vele mensen nog proberen onze kwantumwereld te begrijpen.’
Vloeibare computer
Nadat hij op een congres een van de Nederlandse pioniers inzake kwantumcomputers had aangesproken, maakte Vandersypen de overstap van de VS naar de Technische Universiteit in Delft. Het is een van de beste plekken ter wereld om kwantumeffecten in uiterst kleine structuren te bestuderen. Enkele hoogst inventieve experimenten zetten TU Delft op de wereldkaart inzake kwantumcomputers. Vandersypen is er zo graag dat hij een jobaanbieding voor het uiterst gereputeerde Duitse Max Planck Instituut liet schieten. Echt indrukwekkend oogt zijn kantoor niet, en ondanks de hightechaanpak moet er in zijn laboratorium ook gelast en gemonteerd worden, zoals overal. Maar om het allerkleinste te bestuderen heb je natuurlijk niet veel plaats nodig.
De techniek die hij gebruikte voor zijn eerste berekening, gaf hij op: ze had snel haar limieten bereikt en raakte op een dood spoor. Ze wordt enkel nog ingezet bij choreografie van de spindans: de studie van hoe je nauwkeurig spins kunt manipuleren en sturen, wat belangrijk zal zijn voor elke praktische toepassing in de kwantumwereld. De kennis die eruit gepuurd wordt, zal probleemloos naar andere concepten kunnen worden overgeplant.
Daarenboven leek het onrealistisch te blijven focussen op het bestuderen van computers in vloeibare toestand, zoals de eerste moleculaire kwantumcomputers, die in feite een vloeistof in een proefbuis waren. Er moest een andere – lees: harde – aanpak komen. ‘We werken niet langer met spins van atomen in moleculen’, legt Vandersypen uit, ‘maar met spins van elektronen in halfgeleiders waarin we de spins onder controle moeten zien te krijgen. In 2004 deden we voor het eerst in de wereld een meting van de spin van één enkel elektron in een halfgeleider. We zijn daarmee in concurrentie met twee andere mogelijkheden voor kwantumcomputers, die elders worden getest, en die elk hun eigen problemen hebben. Het is echt een race, waarin de beste zal overleven, in de mooiste darwinistische traditie.’
Het voornaamste probleem van Vandersypens nieuwe aanpak is de vraag naar de vervaltijd: zullen zijn systemen voldoende solide zijn om hun informatie lang genoeg te bewaren? Om verval te counteren, proberen Vandersypen en zijn collega’s een elektron te vangen in een soort halfgeleidend kwantumdoosje, waarbij je het elektron in functie van de richting van zijn spin al dan niet laat ontsnappen. Ermee rekenen kon aanvankelijk niet. ‘Dat lijkt op de processie van Echternach,’ lacht Vandersypen, ‘maar zolang het geen sisyfusarbeid wordt, is dat niet erg. In de processie van Echternach wordt het doel uiteindelijk gehaald, zij het langzaam.’
Het is te vroeg om te zeggen hoe zo’n kwantumcomputer er uiteindelijk zal uitzien. Momenteel is het niet zeker dat er ooit een laptopachtig apparaat van gemaakt zal kunnen worden, omdat er nog altijd uitsluitend bij lage temperaturen kan worden gewerkt, zodat er koeling nodig is. ‘We willen uiteraard beter doen dan de bestaande computers’, zegt Vandersypen. ‘Zodra we de principes onder de knie hebben, zal het vooral een kwestie zijn van productengineering, hoewel ook dat best een grote uitdaging kan zijn. Voorlopig werken we met dezelfde soort chips als in de huidige halfgeleiderindustrie. Als we kunnen aantonen dat we met grote nauwkeurigheid greep krijgen op enkele spins in zo’n systeem, zullen we dat opschalen tot werkbare aantallen. Daar zullen praktische problemen bij komen kijken, maar niets dat we niet zullen kunnen oplossen. Nu is het vooral belangrijk dat we uitsluiten dat het systeem fouten maakt.’
In 2006 volgde een nieuwe wereldprimeur: Vandersypen en zijn medewerkers bouwden een kwantumpoort, essentieel om in een berekening een reeks stappen na elkaar te laten uitvoeren. Daarmee kunnen ze de spin van een elektron in een kwantumdoosje op commando laten ronddraaien. ‘We kunnen een spin nu laten doen wat we willen’, vat Vandersypen de doorbraak samen. ‘We hebben daarvoor twee poorten nodig op elke spin afzonderlijk, en één op de koppeling van de spins van twee elektronen. Waarmee we weer op het niveau van 1 + 1 = 2 beland zijn.’
Naast de groep rond Vandersypen, die ondertussen hoogleraar is in Delft en de publicaties in wetenschappelijke topvakbladen als Nature en Science aan elkaar rijgt, zijn ook het Amerikaanse IBM, de Japanse telefoniegigant NTT en het Japanse NEC (dat kopieerapparaten maakt) dezelfde weg naar kwantumcomputers aan het verkennen. De concurrentie is sterk, maar dat houdt mensen als Vandersypen alert. ‘Onze voornaamste activiteit is nu het zoeken naar manieren waarop we de vervaltijden van ons systeem langer kunnen maken’, vertelt hij. ‘Die vervaltijden hangen samen met de mate waarin de elektronspins op willekeurige wijze beïnvloed worden door de spins van de atomen in de chip. Wat we trachten te doen, is deze invloed voorspelbaar te maken, zodat we het effect met allerhande kalibratietechnieken kunnen wegwerken. Of we moeten leren werken met materialen gebaseerd op atomen zonder spin, zoals koolstof 12 of sili-cium 28. We boeken daarmee goede vooruitgang.’
Ondanks de scepsis die her en der heerst over kwantumcomputers is Vandersypen optimistisch: ‘Er zijn geen aanwijsbare obstakels tegen het realiseren van onze plannen. Het zal vooral een kwestie van motivatie zijn, niet alleen van onze kant, ook van de kant van de mensen die in de financiering moeten voorzien. Ik denk dat het nog ongeveer twintig jaar hard werken zal vergen voor we zover zijn. Maar het zal echt een omwenteling in de computerwereld betekenen.’
DOOR DIRK DRAULANS
