Samenwerken met Denen aan eerste kwantumcomputer
KOPENHAGEN. De eerste kwantumcomputer ter wereld bouwen. Dat is het ultieme doel van het Delftse onderzoeksinstituut QuTech en het Center for Quantum Devices van het Niels Bohr Institute (QDev) in Kopenhagen. Beide instellingen tekenden daarvoor deze week een samenwerkingsovereenkomst.
Leo Kouwenhoven, hoogleraar natuurkunde aan TU Delft en directeur van QuTech, is in zijn nopjes over de overeenkomst. „QDev is een van de befaamdste onderzoeksgroepen ter wereld als het gaat over quantumbits. TU Delft werkte niet voor niets al nauw samen met de Deense onderzoeksgroep.”
De partners zien zich in een felle concurrentiestrijd gewikkeld met Chinese en Amerikaanse onderzoeksinstituten. Ze zien graag een prominente rol weggelegd voor Europa bij de ontwikkeling van de kwantumcomputer (zie kader). „Samen kunnen we ervoor zorgen dat Europa een sleutelrol zal spelen in het internationale netwerk dat zich bezighoudt met de ontwikkeling van de eerste kwantumcomputer”, aldus Kouwenhoven op de website van QuTech. De komende jaren zijn daarvoor cruciaal, meent de hoogleraar.
De overeenkomst voorziet in een gezamenlijk plan om baanbrekend onderzoek te doen aan quantumbits of qubits. Ook zullen beide instituten onderzoeksfaciliteiten delen en onderzoekers en studenten uitwisselen. In totaal zijn er zo’n honderd Nederlanders en zestig Denen bij betrokken.
„In Kopenhagen maakten we concreet wat de wetenschap- pelijke gemeenschap allang weet: samenwerking werkt het beste”, stelt Charles Marcus, directeur van QDev, op de website van de universiteit van Kopenhagen. Beide instellingen hadden eigenlijk geen keuze meer. „Moeten twee toonaangevende reuzen in het veld elkaar beconcurreren? Vechten? Nee, je begint aan samenwerking. De complexiteit van het vakgebied neemt toe. Wanneer we ideeën, techniek, onderwijs en personeel uitwisselen, kunnen we hopelijk in onze ambitie slagen”, aldus Marcus.
„QuTech en QDev zijn beide bezig met kwantumcomputers op basis van het Majoranadeeltje (zie kader), die we voor het eerst aantoonden in ons lab in Delft in 2011. Deze qubits zijn niet gevoelig zijn voor de meeste vormen van verstoring door de omgeving. Dat maakt ze robuuster dan andere qubits”, legt QuTech-onderzoeker Maja Cassidy uit. „Door de samenwerking met de Denen kunnen we kennis en materialen sneller uitwisselen, waardoor de ontwikkeling van de kwantumcomputer in een stroomversnelling terecht kan komen.”
Het idee is om deze deeltjes elektrisch te kunnen sturen, geeft Marcus aan. „De deeltjes gaan een interactie met elkaar aan. Op die manier produceren ze informatie – kwantuminformatie.”
Kwantumcomputer
QuTech, het bedrijf van prof. Leo Kouwenhoven van TU Delft, denkt de komende jaren een flinke stap vooruit te zetten in de bouw van kwantumcomputers die de huidige generatie pc’s in rekensnelheid ver overtreffen. Het concept bestaat al een jaar of tien maar QuTech denkt nog zo’n vijftien jaar nodig te hebben om de eerste kwantumcomputer te kunnen realiseren. Daarmee kunnen wetenschappers mogelijk ingewikkelder klussen aanpakken waar de wetenschap nu nog geen raad mee weet. De computers kunnen bijvoorbeeld eiwitmoleculen doorrekenen op hun eigenschappen of razendsnel klimaatmodellen genereren of medicijnen construeren die precies passen bij een persoon of een groep personen. Inlichtingendiensten kunnen de computer bijvoorbeeld inzetten voor het kraken van versleutelde berichten. De razendsnelle kwantumcomputers maken gebruik van de bijzondere eigenschappen van kleine deeltjes, zogenoemde quantumbits of qubits op basis van de exotische Majoranadeeltjes. Een normale computer werkt met bits: nullen en enen. Een bit is altijd nul of één. Qubits houden zich aan de regels van de kwantummechanica. Ze hebben de bijzondere eigenschap dat ze zowel nul als één tegelijk kunnen zijn (superpositie) of elke waarde daartussenin. Daarmee kunnen complexe berekeningen razendsnel worden uitgevoerd.
Majoranadeeltje
De onderzoeksgroep van prof. Leo Kouwenhoven van TU Delft verraste in 2011 de natuurkundige wereld met een eerste glimp van het Majoranafermion, een geheimzinnig deeltje waarnaar fysici al 75 jaar op zoek zijn. Het heeft nogal bijzondere eigenschappen. Veel elementaire deeltjes hebben een zogeheten antideeltje, hun spiegelbeeld. Een elektron bijvoorbeeld heeft als antideeltje een positron, met eigenschappen tegengesteld aan die van het elektron, bijvoorbeeld een negatieve massa.
Het positron is daadwerkelijk gemeten in straling uit het heelal. Wanneer een elektron botst met een positron, heffen ze elkaar op: ze verdwijnen terwijl er een lichtflits meetbaar is. In vaste stoffen, zoals een nanodraadje, heeft een elektron geen positron als antideeltje, maar een zogeheten hole of ”gat”.
De kunst is ervoor te zorgen dat een elektron en een gat in de nanodraad een wisselwerking met elkaar aangaan. Daarbij heffen ze elkaar deels op, terwijl er twee vreemde deeltjes ontstaan zonder elektrische lading, zonder energie of massa: de langgezochte Majoranadeeltjes.
Het deeltje is in zekere zin een buitenbeentje. De meeste elementaire deeltjes hebben een kenmerkende elektrische lading, massa of energie. Het Majoranadeeltje heeft dat niet. Bovendien is het zijn eigen antideeltje en zijn eigen spiegelbeeld.
