‘De quantumcomputer heeft nieuwe doorbraken nodig’

Prof. Lieven Vandersypen behoort tot de zeventien nieuwe leden die het KNAW dit jaar aanstelde, zo maakte de academie op 17 mei bekend. Een week later, op 24 mei, reikte onderzoeksfinancier NWO voor het eerst de Summit Grants uit voor onderzoeksgroepen aan de wereldtop. QuTech, met Vandersypen als hoofdaanvrager, ontving samen met de afdeling Quantum Nanoscience van de faculteit Technische Natuurwetenschappen (TNW) en de Universiteit Leiden 35,4 miljoen euro voor het voorstel Quantum Limits. Tegelijkertijd ontving het voorstel Evolf geleid door prof. Cees Dekker en prof. Gijsje Koenderink (beiden TNW) veertig miljoen euro voor het ontwikkelen van een kunstmatige levende cel.

Je hebt een bijzondere maand achter de rug met de Summit Grant en het KNAW-lidmaatschap. Wat betekent dat voor je?

“Ja, het is een eer hè. Via de KNAW kun je bijdragen aan discussies op een manier die meer impact heeft dan als je dat in je eentje probeert. Ik heb altijd al willen deelnemen aan discussies over wetenschap en maatschappij. Binnen de KNAW zie ik daar een goede gelegenheid voor.”

Worden er ook dingen van je verwacht?

“Het is niet dat je ergens moet tekenen en zeggen, ik committeer zoveel uren in de week. Dus je kunt ook gewoon slapend lid zijn en nooit iets doen. De KNAW hoopt dat je wil bijdragen en kan ook een beroep op je doen als jurylid voor diverse wetenschappelijke prijzen die ze uitreiken. Ik heb aangegeven dat zolang ik wetenschappelijk directeur van QuTech ben, ze niet al te hard op mij kunnen rekenen. Ik kijk er wel naar uit om daar later meer actie in te nemen.”

Verder ontving je van NWO een Summit Grant van 35 miljoen euro voor de TU Delft en Universiteit Leiden. Maakt jou dat tot de man die de quantumcomputer gaat brengen?

“Dat denk ik niet, en dat is aan anderen om te zeggen. Het beeld is ontstaan dat 35 miljoen euro naar Delft en Leiden gaat voor het ontwikkelen van de quantumcomputer. Maar dat is eigenlijk niet wat we hebben voorgesteld.”

 ‘Kun je verstrengeling creëren met zwaartekracht?’

 Waar gaat Quantum Limits dan over?

“In het summit-onderzoek hebben we voorgesteld om onderzoek te doen dat grenzen verlegt. De quantumtheorie is honderd jaar geleden ontstaan vanuit de grenzen van de klassieke mechanica. Want als je toeging naar de microscopische wereld, merkte je dat de klassieke mechanica niet meer klopte. Daar kwam de quantumtheorie uit voort. Ons voorstel Quantum Limits gaat op zoek naar de grenzen van de quantummechanica.”

Kun je een voorbeeld geven?

“Een van de meest interessante eigenschappen in de quantummechanica is de verstrengeling . Tot nu toe creëren we verstrengeling via elektromagnetische velden, maar kun je verstrengeling ook creëren door de zwaartekracht? Dat is een groot vraagteken. Niemand is er nog in geslaagd om de zwaartekrachttheorie en de quantumtheorie met elkaar te verzoenen.”

‘We willen zwaartekracht en quantummechanica bij elkaar brengen’

Anders dan elektromagnetische velden kun je de zwaartekracht niet even uitzetten.

“Nee, zeker niet. Maar vanwege vooruitgang in de nanotechnologie denken we in de komende tien jaar de aantrekkingskracht tussen twee minuscule massa’s direct te kunnen meten om dan te kijken of de zwaartekracht ze kan verstrengelen.”

De onderlinge aantrekkingskracht?

“We weten dat de zwaartekracht heel klein wordt naarmate je de massa’s kleiner maakt. De onderlinge aantrekkingskracht is te meten tot deeltjes van een millimeter of zo. Maar er zijn ook trillende objecten van ongeveer een micrometer in quantumtoestanden gebracht. Daartussen zit nog ergens een gat in ons kunnen en in ons begrip, tussen een micrometer tot een millimeter, simpel gezegd. We gaan dat gebied verkennen door enerzijds steeds grotere objecten in quantumtoestanden te brengen. En anderzijds steeds gevoeliger de zwaartekracht te meten van kleinere objecten. Zo willen we quantummechanica en zwaartekracht bij elkaar brengen.”

Komt de theorie uit Leiden en de technologie uit Delft?

“Nee, het is minder zwart-wit dan je denkt. In Leiden zijn er ook experimentatoren met echt goede nano-expertise voor een aantal van deze metingen. En in Delft zijn er ook uitstekende theoretici die richting kunnen geven aan de metingen.”

Wat je omschrijft is een verdiepend onderzoeksprogramma, naast de ontwikkeling van de quantumcomputer waar iedereen het over heeft?

“Jazeker. Veel van de ontwikkelingen in quantumtechnologie hebben nieuwe vragen naar boven doen komen of hebben ertoe geleid dat oude vragen scherper werden geformuleerd of opgehelderd werden.”

‘Belangrijke delen van de knowhow worden niet gedeeld’

Is de ontwikkeling van de quantumcomputer nog steeds een wereldwijde samenwerking of is het inmiddels een harde competitie geworden?

“Er wordt nog steeds heel veel samengewerkt. Ik ben er echt van overtuigd dat dat absoluut essentieel is. Het is zo’n complexe opgave dat niemand alle goede ideeën in zijn eentje zal hebben. Dus de uitwisseling van ideeën blijft heel belangrijk. Maar als je sommige publicaties leest, zie je ook dat belangrijke delen van de knowhow die de metingen mogelijk maken, eigenlijk niet gedeeld worden. En dat is uiteraard meer het geval voor de bedrijven dan voor de universitaire groepen. Daar wordt over het algemeen wel gewoon gedeeld.”

Hoe zit dat met universitaire groepen die samenwerken met de industrie, zoals QuTech met Intel en Microsoft? Die willen waarschijnlijk ook niet dat je alle details deelt.

“Klopt, daar zijn we wel eens tegen aangelopen. Toen wij metingen deden aan de quantumchips van Intel, mochten de metingen zonder restricties gepubliceerd worden. Maar de processen bij Intel om de chips te maken, die werden niet gedeeld.”

Wat zie jij als de belangrijkste obstakels op weg naar een werkzame quantumcomputer?

“De obstakels komen voort uit wat we noemen ‘decoherentie’ . We weten dat de toestand van een quantumbit maar voor een beperkte tijd standhoudt. Voor nuttige toepassingen moet je best veel operaties na elkaar uitvoeren op een paar honderd qubits, de afkorting voor quantumbits. Nu zijn we nog heel ver verwijderd van het punt waarbij quantumbits goed genoeg zijn om zo’n berekening tot een goed einde te brengen.”

‘Voor een paar honderd perfecte qubits heb je een paar miljoen fysieke qubits nodig’

Wat valt daaraan te doen?

“Om daar iets aan te doen moet je foutencorrectie toepassen. En dat is voor mij een van de meest verbazingwekkend mooie aspecten aan de hele quantuminformatietheorie, dat het mogelijk is om de meest fundamentele fouten die optreden door decoherentie, om die toch om te keren en de qubits stabiel te houden. Dat doe je door redundantie met meerdere quantumbits.”

En dan is het een kwestie van de meeste stemmen tellen?

“Simpel gezegd: ja. Maar het is wel iets subtieler. De redundantie die je nodig hebt, is heel groot. Dat betekent dat je voor een paar honderd perfecte qubits een paar miljoen fysieke qubits moet hebben. Zo vertaalt het probleem van decoherentie zich naar het opschalen van het aantal quantumbits, of de kwaliteit ervan ongelofelijk verbeteren. Of een combinatie van beide. We weten dat we met de huidige ideeën tegen grenzen aanlopen. En die grenzen liggen nog ver voor het punt dat we iets nuttigs kunnen doen met qubits. Dat betekent dat er nieuwe ideeën en doorbraken nodig zijn.”

Is dat de achtergrond bij jullie Quantum Limits voorstel?

“Het is niet het hoofddoel van het onderzoek. We willen eigenlijk vooral ons begrip vergroten. En dat kan ook de quantumtechnologie verder helpen.”

Wat telt voor jou meer? Dat er een werkende quantumcomputer komt? Of meer begrip van die wonderlijke quantumfysica?

“Voor mij is het de combinatie die telt. Quantumfysica blijft mij fascineren. Maar als morgen iemand mij bewijst dat een quantumcomputer niet kan werken, dan ga ik iets anders doen. Ik kan niet werken aan een technologie waarin ik niet geloof.”

De ontwikkeling van de quantumcomputer is een wereldwijd veld met grote belangen en enorme investeringen. Wat is de positie van QuTech in dat krachtveld?

“Onze positie ligt in vernieuwende concepten. Er zit hier veel kritische massa: zo’n driehonderd heel slimme mensen die elkaar uitdagen en op een hoger plan brengen. Sinds eind vorig jaar is bovendien het aantal mensen dat bij Delftse quantumstart-ups werkt groter dan het aantal mensen binnen QuTech. Vanaf het begin van QuTech in 2014 was het de bedoeling dat wetenschappelijke publicaties ook hun weg zouden vinden naar bedrijvigheid en jobs. En dat zie je nu gebeuren. QuTech groeit nog een beetje, maar al die bedrijven samen groeien harder. Het is mooi te zien dat de groep quantumstart-ups zijn eigen dynamiek ontwikkelt.”