In het QC laboratorium dat op 18 december geopend werd, werken Delftse onderzoekers aan ’s werelds eerste quantumcomputer. Lezers van New Scientist NL waren als eersten uitgenodigd voor een rondleiding.
Er was een foutje binnengeslopen bij de inschrijving, vertelt hoofdredactrice en Delfts alumnus ir. Irene de Bel. De computer bleef vrolijk inschrijvingen accepteren ondanks dat het maximum overschreden was. En zo kon het gebeuren dat maar liefst 90 mensen naar Delft waren gekomen voor een bezoek aan het quantumcomputer lab. Nadat ze in het uitgebreide dossier (New Scientist NL, november 2013) hadden gelezen over de Delftse plannen voor de bouw van een quantumcomputer, hadden ze zich opgegeven voor de lezersactiviteit. In overleg met de vakgroep quantumtransport (TNW) is besloten geen mensen af te zeggen, maar de groep te splitsen.
De klapdeuren in de B-vleugel van het oude gebouw voor Technische Natuurkunde leiden naar het splinternieuwe QC laboratorium. Reutelende pompen en de geur van muurverf. Hagelwitte stalen kasten, een open plafond met overal kabelgoten, roestvrijstalen pijpen en slangen langs de wand. Maar het meest opvallend zijn de enorme witte cryostaten die door gaten in het plafond naar de eerste verdieping steken. In totaal komen hier zeven van die koeltorens te staan van een half miljoen euro per stuk, vertelt dr.ir. Gijs de Lange die hier de groep ontvangt.
De groep bestaat uit een kleine twintig man met een gemiddelde leeftijd van ruim boven de vijftig. Dames zijn er nauwelijks bij. Het is niet helemaal duidelijk of dit de typische lezers van het wetenschapsblad zijn, of dat de anderen geen vrij konden nemen.
Prof.dr Leo Kouwenhoven vertelt de bezoekers in een stampvolle collegezaal hoe onderzoekers in zijn studententijd (in de jaren tachtig) op zoek waren naar de vreemde verschijnselen zoals die voorspeld werden door de quantummechanica: dat energie alleen in bepaalde hoeveelheden uitgewisseld kan worden en dat deeltjes in verschillende toestanden tegelijk verkeren (superpositie van toestanden) tot op het moment dat je er een meting aan doet. De experimentator is in de quantumfysica een onderdeel is van het systeem.
Hoe klein moest je dingen maken om zoiets daadwerkelijk te meten? Zo kwamen natuurkundigen op de moleculaire schaal van de nanometer terecht. “Iedere chemische binding bestaat uit elektronen in superpositie tussen twee atomen”, vertelt Kouwenhoven. “In feite is heel ons lichaam een grote superpositie.”
En nu bewandelen onderzoekers de omgekeerde weg vanuit de moleculaire quantumwereld terug naar de wereld op centimeterniveau, maar met behoud van de quantumverschijnselen. Dat is wat een quantumcomputer moet gaan bieden. Geen betere quantumcomputer dan een systeem dat zelf aan de quantumfysica gehoorzaamt, vond Richard Feynmann al. En dat is precies wat onderzoekers in het quantumcomputerlab gaan proberen. “De uitkomst is onzeker, maar de vooruitzichten zijn enorm”, aldus Kouwenhoven.
Een quantumcomputer met 30 qubits (‘quantumbits’ die –in tegenstelling tot gewone bits- tegelijkertijd waarde 0 en 1 kunnen hebben) is qua capaciteit vergelijkbaar met 230 of een miljard transistors. Maar echt interessant wordt het pas vanaf 100.000 qubits. Met zo’n quantumcomputer kun je naar verwachting op zoek naar supergeleidende materialen, nieuwe chemische katalysatoren of gevoeliger sensoren. Berekeningen van stromingen en weerspatronen voltrekken zich in een flits. We zullen vraagstukken aankunnen, zo denkt men, die de capaciteit van de huidige computers ver overstijgen. Kouwenhoven is eigenlijk al uitgekeken op de huidige computers: “Klassieke computers geven het op zodra het interessant wordt.”
Als eerste stap op weg naar de quantumcomputer willen de onderzoekers in het QC lab zeventien qubits activeren. Zeer waarschijnlijk worden dat kleine supergeleidende schakelingen die elektronisch aangestuurd worden, maar het kunnen ook enkele stikstofatomen in een diamantstructuur zijn die op licht reageren.
Een fundamentele vraag is nog wel hoe zo’n schakeling eigenlijk tot een oplossing komt en hoe je die uitleest zonder de fragiele quantumtoestand te verstoren. Over de berekening zegt Kouwenhoven dat het een kwestie is van goed programmeren om de quantumtoestanden zodanig te laten interfereren dat de kans op de gezochte uitkomst maximaal is terwijl andere toestanden elkaar uitdoven. En wat het uitlezen betreft heeft Ronald Hanson afgelopen jaar laten zien dat niet alle informatie verloren hoeft te gaan bij de uitlezing. Als het om twee qubits gaat met vier mogelijke toestanden (00;01;10;11) is het mogelijk na te gaan of de bits gelijk zijn (00;11) of tegengesteld (01;10) zonder de volledige informatie uit te lezen om de superpositie te behouden.
Beneden draaien de pompen en zoemt de koeling. Maar boven heerst serene rust. De glazen wanden, houten tafel met leer beklede stoelen en de kronkelige glanzende armaturen maken deze verdieping tot de een van de coolste werkruimten van de TU. Eén wand wordt volledig in beslag genomen door een whiteboard – het traditionele ideeëntoneel voor natuurkundigen.
De groep wordt ontvangen door promovendus ir. Fei Pei die hier terechtgekomen is na zijn studie in Groningen. Fei is verrukt over de zeven main coolers waarvan de koppen door gaten in de vloer steken en door de zinderende ambitie van het lab. Boven zijn computer hangt een plaatje dat doet denken aan de chip waarmee Kouwenhoven vorig jaar het Majoranadeeltje ontdekte. De onderzoekers gaan nu op dat thema door met magneetvelden en supergeleidende halfgeleiders in de hoop dat een Majorana’s als qubits te gebruiken is. Ze lijken namelijk prettig stabiel. Fei wijst op de tientallen draden die de verbinding vormen tussen de chip onderin de koeltoren en de onderzoekers in het laboratorium erboven. Met die draden brengen de onderzoekers elektrische spanningen op banen in de chip aan om de Majorana’s mee te manipuleren.
Erg spannend allemaal zo aan het wetenschappelijke front. “We hebben heel goede apparatuur en de beste mensen. Als het ons lukt om met Majorana’s een werkende quantumcomputer te maken, dan lonkt de Nobelprijs”, denkt Fei.
Ronald Hanson is de strijd aangegaan met Einstein, zo vertelt hij de bezoekers. Het draait allemaal om verstrengeling. Stel, zegt Hanson, dat Alice (Cooper) en Bob (Marley) onafhankelijk van elkaar met een muntje gooien met als uitkomst kop (1) of munt (0). Dan kan het gebeuren dat Alice resultaat 110100101 krijgt. Maar het wordt ‘spooky’ als Bob 001011010 scoort. Dan zou Bob namelijk altijd de omgekeerde waarde krijgen van wat Alice scoort. Dat soort ‘spukhafte Fernwirkung’ daar hield Einstein niet van.
En toch is dat wat Hanson en zijn medewerkers in Nature heeft aangetoond (april 2013). Daarbij ging het niet om twee dobbelende popidolen, maar om twee stikstofatomen ingebed in diamant. En in plaats van kop of munt was de uitkomst spin op of neer. Bij spin ‘op’ zendt het atoom net iets meer licht uit dan bij ‘neer’, waardoor de toestanden te onderscheiden zijn. Hanson wist in een slim experiment beide atomen te verstrengelen waarna hij de spin even nul maakte. Wanneer hij daarna de spin van beide stikstofatomen mat en de ene spin was ‘op’, dan was warempel de andere waarde bijna altijd ‘neer’ en omgekeerd. In statistische termen hebben tegengesteld waarden (op en neer, neer en op) een kans van elk bijna 0,5 terwijl de kans op (neer, neer) of (op, op) nog geen 10 procent was.
‘Dass kann nicht sein’, zou Einstein gereageerd hebben. Einstein zou volgens Hanson alleen nog kunnen beweren dat de beide atomen op een of andere manier informatie met elkaar hebben uitgewisseld. Om ook die mogelijkheid uit te sluiten bereidt Hanson nu een experiment voor waarbij de verstrengelde atomen zo ver uit elkaar staan dat zelfs communicatie met de lichtsnelheid te langzaam is om de spookachtige verwevenheid te verklaren. Als dat lukt, en de voorbereidingen zijn al in volle gang, maakt Hanson kans bekend te worden als de man die Einstein verslagen heeft.
In de kelder van het gebouw staat de opstelling waarmee Hanson zijn verstrengelingsexperiment heeft gedaan. Ir. Bas Hensen laat de bezoekers binnen in de kleine donkere ruimte. “Houd alstublieft afstand van de tafel”. De optische tafel met luchtvering staat bomvol met lenzen, spiegels, lasers en beam splitters – allemaal heel precies afgesteld om de optische qubits te kunnen manipuleren. Eén onhandige beweging kan hier weken werk tenietdoen. Aan de uithoeken van de tafel staan twee cryostaten waarin zich een diamantchipje bevindt van 4 bij 4 millimeter. Daarin zit met een koolstofatoom onder een lensje. Via een webcam kun je de chip met het lensje van 10 micrometer zien. De lens moet de kans vergroten dat het licht de optische qubit bereikt, want die kans is niet erg groot, zo bleek uit Hansons publicatie.
Met een frequentie van 20 duizend pogingen per seconde trad er gemiddeld iedere tien minuten een verstrengeling op (kans 1 op 10 miljoen). Inmiddels werkt Hensen met de Duitse Dipl. Ing. Hannes Bernien aan het verstrengelingsexperiment op afstand (tussen deze kelder en het reactorcentrum op ongeveer een kilometer afstand). Als de qubits zich dan net zo gedragen als in het voorgaande experiment (bijna uitsluitend tegengestelde spinwaarden) kan dat niet anders verklaard worden dan door de ‘spookachtige interactie op afstand’ of verstrengeling.
Aan het eind van de rondleiding, en na Kouwenhovens tweede lekencollege, wil een man hem dringend spreken. Zijn Indische gestalte keurig gekleed, loopt hij speurend door de gang. In zijn handen een plat pakketje met plastic omwikkeld. Zodra hij Kouwenhoven ziet, beent hij op hem af met zijn eveneens keurig geklede vrouw in z’n kielzog. Uitgebreid handenschuddend overhandigt hij het pakje.
Kouwenhoven is verrast en een beetje aangedaan. Het is een boekje met tientallen afbeeldingen van schilderijen, allemaal zelfgemaakt, geïnspireerd door de quantumfysica. Hier moet jaren aan gewerkt zijn.
Ook dat is lezersdag. Het publiek ontmoet niet alleen de onderzoekers, maar ook andersom. Volgend jaar weer, vraagt Irene de Bel opgewekt terwijl ze Kouwenhoven een mooie fles aanbiedt.
“Eh, als we nieuws hebben”, zegt hij na een korte aarzeling
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.