Tot voor kort bestond het alleen op papier: het zogeheten majorana-fermion, een deeltje dat dankzij zijn bijzondere eigenschappen volgens fysici weleens dé ontbrekende bouwsteen zou kunnen zijn voor de supersnelle quantumcomputer. Spinozapremiewinnaar Leo Kouwenhoven van de TU Delft claimt nu dat hij het langgezochte deeltje in zijn lab heeft gemaakt.

Hoewel quantumcomputerexpert en experimenteel fysicus Leo Kouwenhoven nog een slag om de arm houdt – hij praat niet met de pers over zijn ontdekking, totdat zijn resultaten in het vakblad Physical Review Lettters zijn gepubliceerd – was hij zeker genoeg van zijn resultaat om op de jaarlijkse vergadering van de Amerikaanse natuurkundevereniging APS in Boston de eerste resultaten aan zijn collega’s te presenteren.

Spitsuur

Voor die presentatie gonsden de geruchten over een grote vondst al rond. Een verslaggever van Nature news beschreef op die site hoe het bezoeken van de presentatie van Kouwenhoven wel wat leek op het ‘nemen van de metro tijdens het spitsuur’.

De mensen die die drukte trotseerden, werden echter niet teleurgesteld. ‘Hebben we Majorana-fermionen gezien? Ik zou zeggen: een voorzichtig ja’, vertelde Kouwenhoven aan het aanwezige publiek. Het zorgde direct voor een golf van opwinding – niet alleen onder de aanwezigen, maar ook daarbuiten. Naast Nature, publiceerden ook andere grote media direct over de vondst van Kouwenhoven. Een nieuwe natuurkundehype was daarmee geboren.


Aan de uiteinden van deze nanodraad, vond Leo Kouwenhoven aanwijzingen voor het bestaan van majorana-deeltjes. Bron: TU Delft.

Doorbraak

Gelukkig is al die opwinding vermoedelijk niet voor niets. Als Kouwenhoven inderdaad de langgezochte deeltjes in het lab heeft weten te maken – en daar heeft het vooralsnog alle schijn van – is dat namelijk een doorbraak van jewelste. Onder andere Microsoft stak een miljoen dollar in het onderzoek en die doen dat niet zomaar. Het majorana-deeltje wordt namelijk gezien als een cruciaal onderdeel voor het bouwen van stabiele quantumcomputers.

Rekenkracht

De reden dat er zoveel tijd, geld en moeite in het maken van zo’n quantumcomputer wordt gestoken, is simpel: dit type computers heeft – als ze op de juiste schaal kunnen worden gerealiseerd – dramatisch veel meer rekenkracht dat de computers waar u en ik nu mee werken.

Dat komt omdat quantumcomputers gebruik maken van zogeheten qubits – quantummechanische versies van de klassieke nullen en enen van digitale informatie. In tegenstelling tot de klassieke bit, kan een qubit tegelijkertijd nul én een zijn: een eigenschap die ervoor zorgt dat de quantumcomputer complexe berekeningen veel sneller kan doen.

Kandidaat

Hoewel quantumcomputers nu al op bescheiden schaal in het lab worden gemaakt, zijn grotere varianten nog erg lastig te realiseren. Dat komt omdat de qubits erg gevoelig zijn voor invloeden van buitenaf en daardoor al snel hun essentiële quantumeigenschappen verliezen. Daarom zijn onderzoekers al tijden bezig met een zoektocht naar stabielere qubits, die wel tegen een stootje kunnen – en het majorana-fermion is daarvoor de belangrijkste kandidaat.

Vreemde kostganger

Al meer dan tachtig jaar geleden voorspelde de geniale Italiaanse fysicus Ettore Majorana het bestaan van dat zogeheten majorana-fermion, dat een beetje vreemde kostganger is in de alsmaar groeiende dierentuin aan elementaire deeltjes. Dat het deeltje zo vreemd is komt omdat het een fermion is (een klasse deeltjes waar ondermeer ektronen en protonen onder vallen), maar toch ook een eigenschap heeft van die ándere deeltjesklasse, de bosonen (waar ondermeer fotonen en het nog altijd niet gevonden higgsdeeltje onder vallen). In de natuurkunde omschrijft men fermionen over het algemeen als de deeltjes waaruit materie is opgebouwd en bosonen als de deeltjes die krachten overbrengen.

Antideeltjes

De bekende huis-tuin-en-keuken-fermionen hebben (onder andere) als eigenschap dat hun zogeheten antideeltjes (antimaterievarianten van deze deeltjes) verschillen van hun vertrouwde verschijningsvormen. Zo heeft het elektron als antideeltje bijvoorbeeld het positron – een positief geladen versie van het elektron. Bij de neutrale bosonen werkt dat echter anders: daar zijn de deeltjes tegelijk ook hun eigen antideeltje.

Het bijzondere aan het majorana-deeltje is nu dat het een neutraal fermion is dat – net als het geval is bij bosonen – ook tegelijkertijd zijn eigen antideeltje is. Een anti-majorana-deeltje is, met andere woorden, niet te onderscheiden van een ‘gewoon’ majorana-deeltje, waardoor de deeltjes eigenlijk hetzelfde zijn. Lang werd naar dergelijke deeltjes gezocht – ondermeer in deeltjesversnellers zoals die bij Cern – maar nooit werden ze gevonden. Dat wil zeggen: tot nu.

Quasideeltjes

Rond 2005 begonnen theoretici al aanwijzingen te zien dat in nanostructuren van half- en supergeleiders dingen gebeurden die sterk leken op wat Majorana 75 jaar eerder had voorspeld. Met de juiste mix van randvoorwaarden ontstonden in die structuren namelijk ladingsophopingen die zich leken te gedragen als deeltjes. Sterker nog: deze zogeheten quasideeltjes leken al wel wat op de langgezochte majorana-fermionen.

In dezelfde periode experimenteerde Kouwenhoven in Delft met de quantumeigenschappen van nanodraadjes van halfgeleiders, waaronder dat van indium-antimonide – een halfgeleider die nu, 7 jaar later, een hoofdrol blijkt te spelen in zijn ontdekking van het majorana-deeltje.

Deeltjespaar

Een doorbraak volgde toen theoretici bedachten dat dergelijke draadjes ook invloed zouden kunnen hebben op een supergeleidend oppervlak vlak onder het draadje. Door slimme manipulatie van magneetvelden en elektrische stromen, konden aan de uiteinden van de draadjes twee ladingsophopingen ontstaan die zich gedragen als een deeltjespaar.

Dat was echter slechts theorie – een theorie die Kouwenhoven in zijn lab binnen een jaar wist om te toveren tot (op het eerste gezicht) onwrikbare natuurkundige realiteit. Met een draadje van indium-antimonide op een bedje van supergeleidend materiaal, wist Kouwenhoven zo eindelijk de langgezochte majorana-fermionen te produceren.

Ilussie

Daarbij moet echter wel opgemerkt worden dat wat Kouwenhoven gevonden heeft ‘slechts’ een quasideeltje is – gemeten effecten die afkomstig lijken te zijn van een deeltje, maar ook best het gevolg kunnen zijn van een onderliggend principe die de illussie van een deeltje wekt. Voor eventuele toepassingen zoals de quantumcomputer is dat geen probleem, maar wie echt fundamenteel het fysieke bestaan van het majorana-fermion wil aantonen, moet wachten totdat het deeltje opduikt in bijvoorbeeld een deeltjesversneller zoals de Large Hadron Collider van Cern.

Handbereik

Of de opstelling van Kouwenhoven robuust genoeg is om te dienen als bouwsteen voor de zo gewenste quantumcomputer, is overigens nog even afwachten. Maar als proof of concept is de vondst van deze quasideeltjes zeer belangrijk. Een praktische variant van de in theorie razendsnelle quantumcomputer komt daarmee namelijk voor het eerst echt binnen handbereik.