Wiskundige Michael Freedman wil niets liever dan een quantumcomputer bouwen om knopen in de ruimte en de tijd te maken en te ontwarren. (Met hulp van een Nederlander!)

In Santa Barbara is een vleugel van de universiteit omgedoopt tot Station Q. Aan het hoofd van dit onderzoeksinstituut staat Michael Freedman, een begenadigd wiskundige. Een van zijn specialiteiten is de wiskunde van knopen. Je zou het de wiskunde van haken en breien kunnen noemen.

Zijn oom heette Toby Freedman. Toby was de hoofdarts van het Apollo-project. Hij had bijzondere interesse in mensen met extreme eigenschappen: mensen die buitengewoon konden rekenen, mensen die tegen extreme kou of tegen extreme droogte konden. Zijn visie was dat als we wilden overleven in de ruimte dat we Optimen nodig hadden. Mannen en vrouwen die matrixvermenigvuldigingen konden doen, tegen extreme kou en hitte konden en de mentale veerkracht hadden van een Zenmeester.

Michael Freedman, die gek was op zijn oom, is een halve Optiman. Een atletische zwemmer, een klimmer en wiskundig meesterbrein. De droom van Michael Freedman is om een quantumcomputer te bouwen.

Gewone computers rekenen met bits: met nulletjes en eentjes, schakelaartjes die aan of uit staan, waarvan er miljoenen op een chip staan. Quantumcomputers werken met qubits, die gebruik maken van de wonderlijke mogelijkheden van de quantumwereld, waarin deeltjes tegelijkertijd linksom als rechtsom kunnen draaien. Qubits kunnen tegelijkertijd aan en uit staan. Ze kunnen tegelijkertijd ‘0’ en ‘1’ zijn.

Een quantumcomputer rekent als de natuur zelf. Zo’n machine zal de kijk op de natuur veranderen.

Er zijn nog maar een paar algoritmes bedacht voor een quantumcomputer. De bekendste is Shor’s algoritme voor het ontbinden van grote getallen in priemfactoren. Met een quantumcomputer is het mogelijk om de hele beveiliging van internet en internetbankieren te kraken. Maar Freedman is daar niet mee bezig. Hij voelt zich gevangen in onze ‘platte’ wereld is, en wil toegang tot de veel rijkere quantumwereld. Een quantumcomputer rekent als de natuur zelf. Zo’n machine zal de kijk op de natuur veranderen en verstrekkende wetenschappelijke en filosofische consequenties hebben. Een computer die kan rekenen zoals eiwitten en enzymen ‘rekenen’ kan ook grote doorbraken forceren in de ontwikkeling van geneesmiddelen. Proefdieren zouden overbodig kunnen worden.

Freedman wil daarbovenop niet zo maar een quantumcomputer wil bouwen, maar een hele bijzondere. Eentje waarin speciale hypothetische deeltjes – Majoranadeeltjes – om elkaar heen draaien en in de ruimte-tijd knopen maken. Breien noemen de wetenschappers het letterlijk: braiden. Knopen zijn hardnekkig: je krijgt iets niet gemakkelijk uit de knoop. En deze robuustheid is een zegen in de quantumwereld, die makkelijk verstoord raakt. Als je er letterlijk alleen al naar kijkt, stort de quantumwereld in elkaar en blijft de gewone saaie wereld over. Gelukkig zijn er vreemde deeltjes – Majoranadeeltjes – die ‘onthouden’ dat je ze om elkaar heen draait en waarmee je zo knoopjes kunt maken. (Beeld je een foto in van een stuiterende stuiterbal met een hele lange belichtingstijd. Wat je ziet is en soort stuiterbalslang. Denk aan meerdere van deze slangen die om elkaar een kronkelen.)

Bij Microsoft kreeg Michael Freedman in 2005 de kans om Station Q te beginnen en het idee verder uit te werken. In 2012 kwam het onderzoek in een stroomversnelling toen Leo Kouwenhoven bij de TU Delft de eerste aanwijzingen vond dat het Majoranadeeltje werkelijk bestond. En het afgelopen jaar vonden wetenschappers in Kopenhagen manieren om het braiden eenvoudiger te maken. De reeks doorbraken hebben het onderzoek in een nieuwe fase gebracht. Microsoft gaat werkelijk proberen om de ‘topologische quantumcomputer’ te bouwen.

De Delftse Leo Kouwenhoven en Charlie Marcus uit Kopenhagen zijn door Microsoft aangenomen om onder leiding van Todd Holmdahl echt, serieus aan een quantumcomputer te gaan werken. Eerdere projecten van Holmdahl waren ‘onmogelijke’ projecten als de Xbox, de Kinect en de HoloLens, die nog uit moet komen.

En de droom van Michael Freedman? Komt die echt uit?

Mensen buiten Microsoft hebben er weinig vertrouwen in. Het principe achter de topologische quantumcomputer is nog nooit aangetoond. Maar hoe dan ook heeft Freedman nu zijn eigen Apolloproject. En Leo Kouwenhoven kan daar een belangrijke rol in gaan spelen.