Prof. Kouwenhoven sleutelt aan de computer van de toekomst

Topwetenschappers
Kouwenhoven. beeld Roel Dijkstra Fotografie, Fred Libochant
4

Al zolang de computer bestaat, zijn wetenschappers bezig om hem sneller te maken. De grenzen van die ontwikkeling lijken bereikt, maar de Delftse natuurkundige Leo Kouwenhoven (55) werkt in alle stilte aan een allesovertreffende trap: de kwantumcomputer.

Computers rekenen heel veel sneller dan mensen, maar er bestaan genoeg problemen waarmee ze geen raad weten. Het oplossen van sommige vraagstukken vergt van gewone computers soms miljarden jaren rekentijd. Ze zijn simpelweg te langzaam.

Veel van die onoplosbare problemen hebben te maken met scheikunde; het gaat om moleculen of materialen zoals medicijnen, voedsel, katalysatoren en batterijen. Waar de gewone computer het laat afweten, kan de revolutionaire kwantumcomputer straks in een uurtje de gewenste materialen voor een nieuwe accu berekenen of de juiste medicijnen voor een patiënt.

Kouwenhoven: „Nu slikken we een pil en kijken of we er beter van worden. Het zou fijn zijn als de computer vooraf kan nagaan of het medicijn helpt tegen die ziekte. Er zijn heel veel ziekten waarvoor we het ideale medicijn nog steeds niet hebben gevonden. Daarom moeten we dat soort dingen nog steeds uitproberen.”

Wie kwam er als eerste op het idee voor een kwantumcomputer?

„Dat komt uit de koker van de Amerikaanse natuurkundige en Nobelprijswinnaar Richard Feynman. Hij onderkende in 1981 dat al die materiaalproblemen liggen op het gebied van de kwantumnatuurkunde. Het gaat om het aan elkaar plakken van atomen tot moleculen; en dat is een kwantumprobleem. Om te voorspellen welke moleculen er worden gevormd, en welke eigenschappen die zullen hebben, moet je een kwantumprobleem oplossen. Feynman besefte dat de gangbare computers dat nooit kunnen. Maar een kwantumcomputer wel.”

Wat doet een kwantumcomputer anders dan een gewone computer?

„Een gewone computer werkt met bits: basiseenheden van informatie die slechts twee waarden kunnen aannemen, bijvoorbeeld 1 of 0, ja of nee, aan of uit. In een gewone computer ligt alle informatie vast in combinaties van bits.

Een kwantumcomputer werkt volgens de principes van de kwantumnatuurkunde. Op de allerkleinste schaal, die van de elementaire deeltjes, blijkt die natuurkunde totaal anders te werken dan in de gewonemensenwereld. Zelfs zo dat het menselijk voorstellingsvermogen tekortschiet.”

Als iemand met een geweer mikt, schiet hij raak of mis; beide tegelijk is onmogelijk. Behalve in de kwantumwereld. Daarin kunnen zogeheten kwantumbits of qubits 0 en 1 tegelijk zijn. Dat heet ”superpositie”, een bizar verschijnsel dat zich het beste wiskundig laat beschrijven.

Hoe maken qubits een kwantumcomputer dan sneller?

„Wanneer qubits worden gecombineerd, blijven hun kwantumeigenschappen aan elkaar plakken – ”verstrengelen” in vaktaal. Juist deze eigenschappen maken extreem krachtige kwantumcomputers mogelijk. Daardoor kun je met twee qubits gelijktijdig vier dingen doen, met tien qubits duizend dingen, en met honderd qubits 1030 –een 1 met 30 nullen– dingen.

De grote vraag was: hoe codeer je een qubit? Met halfgeleiderchips maak je transistoren, de elementaire blokjes voor klassieke bits. Zo kun je met speciaal ontworpen transistoren een qubit bouwen waarmee je een superpositie van nullen en enen kunt creëren.”

Wat voor qubits moet dat opleveren?

„In de zoektocht naar stabiele qubits zijn we op zoek naar zogeheten logische qubits; daarmee kunnen foutloze berekeningen worden uitgevoerd. Maar die laten zich niet zomaar vinden. Toen het idee opkwam om fouten in qubits te corrigeren, was dat een doorbraak.

Een logische qubit is bruikbaar als bouwsteen voor de kwantumcomputer. We zijn nog steeds bezig de qubits zo goed mogelijk te maken. Als je bouwstenen goed zijn, kun je ook complexe structuren maken van veel meer qubits. Als ze niet goed zijn, dan wordt het bouwen van zo’n structuur zoiets als een kaartenhuis: het blijft een wankel geheel. Maar als je bouwstenen zo stabiel kunt maken als legoblokjes, kun je oneindig grote structuren bouwen.

Het zogeheten majoranadeeltje, dat onze vakgroep in 2012 ontdekte, blijkt een zogeheten topologische qubit te zijn. Die heeft vrijwel geen foutencorrectie nodig en is van zichzelf bijna een logische qubit. Logische majoranaqubits zijn als legoblokjes. Daarmee kunnen we ‘kastelen’ bouwen. Ik zal superblij zijn als het ons lukt om een logische qubit te ontwikkelen.”

Na de vondst van het majoranadeeltje startte Kouwenhoven in 2013 onderzoekscentrum QuTech op de campus van de TU Delft. Zo’n 200 mensen werken er met een eenvoudige kwantumcomputer met 17 qubits – vergelijkbaar met 130.000 klassieke bits. „Veel langzamer dan een gewone laptop. Het is een studieobject. We zijn nog steeds op zoek naar de ideale bouwsteen.”

De Amerikaanse techreus IBM onthulde eerder deze maand de IBM Q System One, de eerste kwantumcomputer voor commercieel gebruik. Het apparaat met 20 quantumbits is niet te koop, maar klanten kunnen de computer via internet berekeningen laten uitvoeren.

Wanneer overklast de kwantumcomputer de gewone?

„De snelheid van een laptop laat zich vergelijken met die van een kwantumcomputer van 30 qubits. Een supercomputer komt tot 40 qubits. Microsoft en Google halen in de cloud snelheden tot 50 qubits. Meer dan 50 qubit is onmogelijk met klassieke computers.”

De afgelopen jaren zijn techbedrijven zoals Microsoft, Google en Intel neergestreken op de Delftse campus. Waarom maakte u in 2016 zelf de overstap naar Microsoft?

„Het is wetenschappelijk interessant om een werkende kwantumcomputer te bouwen, maar het gaat de capaciteit van een universiteit ver te boven. Behalve geld hebben deze bedrijven ook de mogelijkheden om speciale software of elektronica te ontwikkelen om een kwantumcomputer te kunnen laten draaien.

Een kwantumcomputer zal uiteindelijk heel veel sneller zijn dan een gewone computer. Niet twee of tien, maar 1 miljard of 1 triljard keer sneller. Berekeningen die tot op heden onmogelijk lang duren, zijn daarmee in een uurtje geklaard.”

Levert dat geen ethische dilemma’s op?

„Kunstmatige intelligentie wordt veel krachtiger, zelflerende machines worden veel effectiever en sneller. Medicijnen worden toegesneden op de patiënt. Maar nieuwe problemen dienen zich aan, zoals: wat mogen de medicijnen kosten, of hoelang houd je iemand in leven?

Een ander probleem is wellicht het uitlezen van big data. In hoeverre kunnen reuzen zoals Google en Facebook misbruik maken van de gegevens die zij tot hun beschikking hebben? Ik bepleit de instelling van een data-autoriteit, een waakhond analoog aan de Autoriteit Financiële Markten voor de banken. En daarmee niet te wachten op de komst van de kwantumcomputer. De data vertegenwoordigen een veel grotere waarde dan die paar euro die wij bij de banken hebben gestald.”

----

Leo Kouwenhoven

Prof. dr. ir. L. P. Kouwenhoven (55) is sinds 2002 hoogleraar toegepaste natuurkunde aan de Technische Universiteit Delft.

In april 2012 maakte zijn onderzoeksgroep de vondst van zogeheten majoranadeeltjes wereldkundig.

Kouwenhoven werkte na zijn promotie aan de TU Delft in 1992 enkele jaren in de VS als onderzoeker aan de University of California in Berkeley, en als hoogleraar aan Harvard University in Cambridge.

Hij is sinds 2006 lid van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW).

In 2007 ontving hij de Spinozapremie, ook wel de Nederlandse Nobelprijs genoemd.

----

Om te onthouden

Voor sommige heel ingewikkelde berekeningen is de huidige computer veel te langzaam. Het gaat bijvoorbeeld om simulaties van exploderende sterren, het klimaat en precies op een persoon afgestemde medicijnen.

Deze berekeningen zouden met gewone computers miljarden jaren duren, maar een kwantumcomputer lost ze in een uurtje op.

Prof. Kouwenhoven leidt in Delft onderzoek naar de bouwstenen voor de kwantumcomputer, de qubit. Een van de mijlpalen die hij bereikte, was de vondst van het majoranadeeltje in 2012.

----

Drie stellingen

1 Geloof speelt geen enkele rol in de uitoefening van mijn beroepspraktijk.

„Daarop geef ik geen antwoord. Dat is mij te persoonlijk. Dit wil echter niets zeggen over hoe ik in mijn werk uitga van mijn eigen ethische waarden en normen.”

2 Een Bijbelgetrouw christen loopt tegen spanningsvelden aan wanneer deze werkzaam is mijn vakgebied.

„Ik heb collega’s in het vakgebied van de kwantumfysica die diepgelovig zijn. Bijvoorbeeld Carlo Beenakker, hoogleraar theoretische natuurkunde in Leiden. Van hem heb ik veel geleerd, onder andere over het majoranadeeltje. Maar ik kan me niet voorstellen dat zo iemand tegen spanningsvelden aanloopt in zijn beroepspraktijk. Het vak en het geloof bijten elkaar volgens mij niet.”

3 Wetenschappers kijken met hun eigen levensbeschouwelijke bril naar mijn vakgebied.

„Nee, daarbij kan ik me weinig voorstellen. Wij werken met apparaten, wiskunde en abstracties. Het mooie van mijn vakgebied vind ik dat abstracties zoals kwantumtheorieën, superpositie en verstrengeling een vertaling hebben naar de werkelijkheid. Zodat er apparaten kunnen bestaan waarin deze abstracties tastbaar worden. Die hogere wiskunde kunnen we dus vertalen naar hardware, en we kunnen daarmee vervolgens ook nog wat nuttigs doen.

Een bepaalde levensbeschouwing zal daarbij niet direct helpen. Maar mensen kunnen wel gemotiveerd zijn om te werken aan de kwantumcomputer; misschien om zo snel mogelijk een medicijn te vinden voor een zeldzame ziekte of zo. Misschien bestaan er nog wel andere levensbeschouwelijke motivaties die kwantumfysici helpen.

Het werk is op zichzelf wel zwaar. Aan werkweken van veertig uur hebben we te weinig. Je moet echt gepassioneerd zijn om dit dag in dag uit te blijven doen.”