Aan de horizon lonkt een nieuwe technologische revolutie: de quantumcomputer

Aan de horizon is een nieuwe technologische revolutie zichtbaar, vergelijkbaar met de revolutie veroorzaakt door de stoommachine, of de ‘gewone’ computer. Overal ter wereld werken sinds een jaar of tien quantumingenieurs aan kleine magische wondermachines, die luisteren naar de logica van de atomen: de quantummechanica. De wereld duizend keer kleiner dan een mensenhaar.

Ongeveer honderd jaar geleden wisten natuurkundigen als Werner Heisenberg en Niels Bohr de regels op te stellen voor deze ‘andere wereld’. Ze kwamen erachter dat hele kleine deeltjes een heel andere wereld zagen dan wij. Een deeltje kon op twee plaatsen tegelijk zijn, en twee deeltjes konden samen één ding zijn. Denk aan twee magische euromunten, waarbij de ene altijd op kop valt als de andere op munt valt, en vice versa. Entanglement noemen natuurkundigen dit.

Wees niet ongerust als je nu in verwarring raakt, want zelfs Einstein haakte hier af. Spooky action on a distance noemde hij het. Hij geloofde er niks van. Maar Einstein bleek ongelijk te hebben. De wereld is spooky. En niemand begrijpt waarom. Lang was dit eigenlijk niet eens zo heel belangrijk. Het spookachtige bestond alleen in de wiskundige vergelijkingen. ’Shut up and calculate,’ zei de natuurkundige Richard Feynman, die zich ergerde aan het quasifilosofische gezwets dat ontstond rond de vreemde wetten van quantummechanica. De regels slaan misschien nergens op, maar als je ermee rekent geven ze het goede antwoord. Mooi toch?

‘Ik wou dat ik twee hondjes was, dan kon ik samen spelen,’ is in de quantumwereld een normale opmerking.

Van het krijtbord naar de laboratoria

Maar de afgelopen tien jaar is de quantummechanica van de zwarte krijtborden in de laboratoria terecht gekomen. Experimenteel natuurkundigen bouwen quantummachientjes, die net als Schrödingers kat, dood en levend kunnen zijn. Een voorbeeld is een elektron dat van links naar rechts door een ring beweegt, als een autootje dat door een rotonde rijdt. Je kunt dat op twee manieren doen: met het verkeer mee, of tegen het verkeer in. Een elektron kan het op twee manieren tegelijk doen. Natuurkundigen weten dit omdat ze kunnen meten dat dit ene elektron tegen zichzelf aanbotst. ‘Ik wou dat ik twee hondjes was, dan kon ik samen spelen,’ is in de quantumwereld een normale opmerking.

Als je dergelijke quantumdingen – die meerdere dingen tegelijkertijd kunnen zijn – aan elkaar weet te entanglen, kun je een magische machine maken: de quantumcomputer, een machine die in theorie veel krachtiger is dan een gewone computer.

Een gewone computer werkt met bits; schakelaartjes die aan of uit staan, die ‘0’ of ‘1’ zijn. Alles wat in je telefoon gebeurt, is te beschrijven in termen van nullen en enen. Een computerchip is als een flikkerende miljoenenstad in de nacht, met ontelbaar veel lampjes die aan en uit gaan. Als je de chip twee keer zo krachtig wilt maken, moet je de stad twee keer zo groot maken.

Een quantumcomputer werkt met qubits. Schakelaars die aan én uit kunnen staan. Tegelijkertijd.

Een quantumcomputer werkt met qubits. Schakelaars die aan én uit kunnen staan. Tegelijkertijd. En hier gaat het eigenlijk om: als je de snelheid van een quantumcomputer wilt verdubbelen, hoef je maar één qubit toe te voegen. Een extra lampje erbij is voldoende. Een quantumcomputer met eenentwintig qubits is twee keer zo snel als een quantumcomputer met twintig qubits.

Een quantumcomputer met honderd qubits verslaat om deze reden in theorie alle supercomputers ter wereld. Zo’n quantumcomputer kan eiwitten simuleren en zo dierproeven overbodig maken. Hij kan helpen nieuwe materialen te vinden, die zonlicht omzetten in elektriciteit. Een quantumcomputer kan helpen de geheimen van het universum te vinden. Een quantumcomputer maakt het mogelijk om te zoeken in enorme datasets, zoals realtime video van het hele aardoppervlak. En – dit is waar wereldleiders bij wetenschappelijke briefings wakker schrikken – een quantumcomputer maakt het mogelijk om de RSA-versleuteling, die het internet veilig houdt, te kraken.

De koudste koelkasten

‘De Space Race of the Quantum Era’ is daarom begonnen. Het is deze keer niet Rusland tegen Amerika, maar Amerika tegen China. Donald Trump tekende op 21 december de National Quantum Initiative Act, die de komende vijf jaar 1,25 miljard vrijmaakt voor onderzoek naar Quantumsystemen. De Chinese overheid pompt tien miljard dollar in het Nationaal Laboratorium voor Quantumwetenschappen in Hefei. Quantumwetenschappers krijgen lucratieve contracten aangeboden, onder voorwaarde dark te gaan en te gaan werken voor een van de geheime nationale laboratoria.

Lees ook:Interview met Nederlands quantumbrein Leo Kouwenhoven: ‘Als je geen quantum hebt, overleef je niet’11 november 2017Maar anders dan bij eerdere megaprojecten zoals de atoombom gaan de beste wetenschappers niet bij de nationale laboratoria van de overheid werken, maar voor de tech-bedrijven. Google, IBM, Microsoft, AliBaba en Tencent kopen de grootste microscopen en de koudste koelkasten. Ze proberen de beste quantumwetenschappers aan zich te binden.

Het wordt lastig om aan te tonen dat het experiment gelukt is, omdat geen enkele computer aan kan tonen dat de bit gedaan heeft wat hij zou moeten doen.

Omdat bedrijven investeerders tevreden moeten houden, zetten ze bij ieder succesje hun quantumveren op. Google kondigt voor dit jaar het quantum supremacy experiment aan. Een quantum chip met 72 qubits die ‘iets’ doet dat de grootste supercomputer ter wereld niet na kan doen. Dat ‘iets’ is te vergelijken met het maken van ruis, of een handje zand op een hele speciale quantummanier op de grond gooien. Niemand heeft er iets aan, maar het gaat om het principe. (Waarbij het lastig wordt om aan te tonen dat het experiment gelukt is, omdat geen enkele computer aan kan tonen dat de bit gedaan heeft wat hij zou moeten doen, maar dat terzijde.)

Onvoorstelbaar kwetsbaar

Op 8 januari presenteerde IBM de Q System One, ‘de eerste commerciële quantumcomputer’. Het ziet eruit als een ontwerp voor een nieuwe Apple. Gucci-chic. Een zwarte cilinder van glas, gemaakt door het Milanese bedrijf Goppion, dat ook de beschermende glazen kasten maakt waarin de Britse kroonjuwelen tentoongesteld liggen. IJzersterk en luchtdicht.

Iedere verstoring maakt de magische quantumtoestand kapot.

Ergens binnenin de glazen cilinder zit een kleine elektronische schakeling, die onvoorstelbaar kwetsbaar is. Veel kwetsbaarder dan de Engelse kroonjuwelen. Kwetsbaarder dan een vlinder gemaakt van suiker. Als je ernaar kijkt, verbreek je al de magie. Iedere verstoring maakt de magische quantumtoestand kapot.

Dit is het grote probleem van de quantumcomputer. Bij de minste of geringste verstoring, storten de qubits in elkaar tot gewone bits. Quantumingenieurs zijn er bedreven in geraakt om één quantumbit in leven te houden, maar om meerdere quantumbits aan elkaar te koppelen. En ‘in de lucht’ te houden, dat wil zeggen tegelijkertijd 0 en 1, is akelig moeilijk.

De quantumcomputers van nu zijn te vergelijken met de eerste pogingen om te vliegen. Het wachten is op het ‘gebroeders Wright moment’.

De quantumcomputers van nu zijn te vergelijken met de eerste pogingen om te vliegen. Het is nu nog een soort langzaam vallen. De Boeing 747 is er nog lang niet. Het wachten is op het ‘gebroeders Wright-moment’. Een doorbraak waar verder op gebouwd kan worden.

De broers Orville en Wilbur Wright hielden zich niet zoals de concurrentie bezig met het maken van een lichtere en krachtiger motoren, maar met de stabiliteit van het vliegtuig. Ze zagen in dat je een vliegmachine als een zeilboot of vlieger door de veranderende wind moest kunnen manoeuvreren. Hun idee van three-axis control ­is nog steeds het basisprincipe van de luchtvaart.

Instabiele quibits

Er zijn verschillende ideeën om hetzelfde probleem van de instabiele qubits te lossen. Een belangrijk inzicht was dat je met meerdere qubits één stabiele ‘logische’ qubit kunt bouwen. Het probleem is dat je miljoenen van de huidige qubits nodig hebt om een computer van honderd ‘logische’ qubits te bouwen. Dat is ver buiten het bereik van de huidige mogelijkheden.

Een ander idee is om een heel nieuw soort superstabiele qubit te bouwen. Wiskundigen van het geheimzinnige Station Q – een afdeling van Microsoft in Santa Barbara, Californië – bedachten tien jaar geleden dat een obscuur nog nooit waargenomen deeltje – het Majoranadeeltje – de sleutel zou kunnen zijn tot zo’n stabiele qubit. Israëlische en Amerikaanse wetenschappers bedachten dat deze deeltjes op zouden duiken in langwerpige kristallen ter dikte van een duizendste mensenhaar. De Nederlandse natuurkundige Leo Kouwenhoven, over wie de VPRO op 4 februari de documentaire De race – hoe bouw je een quantumcomputer? uitzendt, was op dat moment toevallig de grootste expert op dit gebied. En zijn promovendi vonden in 2012 dit Majoranadeeltje. Het was reden voor enthousiasme in Station Q van Microsoft.

Sinds die tijd doen jonge wetenschappers in Delft en op andere plaatsen in de wereld pogingen om de Majorana-qubit te maken. Dit blijkt moeilijker dan zeven jaar geleden gedacht. Maar er is de laatste jaren veel voortgang geboekt. Misschien lukt het dit jaar, of anders volgend jaar. Mogelijk is het een uniek moment, zoals de ontdekking van de transistor, die onze huidige supercomputers mogelijk heeft gemaakt. Misschien blijkt het een doodlopende tak in de geschiedenis van de quantumcomputer en is er weer een nieuw idee nodig.

De ironie is dat een quantumcomputer het perfecte hulpmiddel zou zijn om bij de zoektocht naar de juiste qubit te helpen.