In een laboratorium in Delft werkt natuurkundige Leo Kouwenhoven aan een computer met onvoorstelbaar meer rekenkracht dan de beste supercomputer van nu. Deze quantumcomputer kan voor een technologische revolutie zorgen.
Er is een mondiale race gaande om de eerste quantumcomputer te produceren. Leo Kouwenhoven, hoogleraar quantumtransport aan de TU Delft en leider van het Delftse Quantumlab van Microsoft, heeft met zijn team goede kaarten in handen. Filmmaker David Kleijwegt volgde hem zes jaar lang op de voet. In de televisiedocumentaire De Race is te zien welke weg hij heeft afgelegd om te komen waar hij nu staat. Die weg was niet zonder obstakels.
Als het lukt om dit rekenwonder te produceren, komen zaken waarvan we nu nog dromen binnen handbereik. Denk aan het ontwerpen van nieuwe medicijnen: in plaats van eindeloos te testen welke stoffen werken en welke niet, kan een quantumcomputer dat in de toekomst wellicht gewoon simuleren en uitrekenen. Hetzelfde geldt voor materialen die hun weerstand verliezen bij lage temperatuur: supergeleiders. Slaag je erin een supergeleider te maken die op kamertemperatuur werkt, dan kun je elektriciteit zonder enig verlies transporteren. Dat zou een grote stap richting de oplossing van het energieprobleem zijn. Met extreem veel rekenkracht kun je gewoonweg alle mogelijke materialen simuleren tot je er één hebt gevonden met de juiste eigenschappen.
Bizarre eigenschappen
De quantumcomputer is niet zomaar een snellere computer. Hij werkt op een fundamenteel andere manier, door de bizarre wetten van de quantummechanica te gebruiken. Volgens die wetten kan een deeltje bijvoorbeeld op meerdere plekken tegelijk zijn. Stel dat je in een doolhof staat en zo snel mogelijk de uitgang wilt vinden. Er zit niets anders op dan alle paden langs te lopen tot je de juiste hebt gevonden. Een computer doet dat ook, maar dan heel erg snel. Een quantumcomputer daarentegen, probeert de paden niet één voor één uit, maar allemaal tegelijk. Hij kan multitasken en dit maakt hem zo onvoorstelbaar veel krachtiger dan alle supercomputers die we nu hebben.
Een gewone computer rekent met bits. Een quantumcomputer is tot deze buitengewone berekeningen in staat dankzij bits met quantumeigenschappen: qubits. Deze eigenschappen zijn echter heel kwetsbaar. De omgeving kan bij het minste of geringste de quantumeigenschappen verstoren en fouten in de berekeningen veroorzaken. Deze fouten vormen de grootste horde op weg naar een bruikbare quantumcomputer. Je dient ze te ze corrigeren of te voorkomen. Corrigeren is een complex klusje, waar heel veel hulpqubits voor nodig zijn. Slaag je er echter in een stabiele qubit te maken die nauwelijks fouten maakt, dan kun je met veel minder qubits toe. Een typisch gevalletje ‘voorkomen is beter dan genezen’. En laat een superstabiele qubit nou net de kracht van de aanpak van Leo Kouwenhoven zijn.
Majoranadeeltje
In 2012 bereikte Kouwenhoven een wetenschappelijke doorbraak die wereldwijd veel belangstelling trok. Hij slaagde erin het zogeheten majoranadeeltje te produceren. Al in 1937 voorspelde de Italiaanse theoreticus Ettore Majorana het bestaan van dit deeltje, maar tot dan toe had niemand het gevonden. Dit geheimzinnige deeltje bleek de perfecte bouwsteen te zijn voor de quantumcomputer, dankzij zijn grote stabiliteit. In de jaren volgend op deze ontdekking probeerde Kouwenhoven het majoranadeeltje klaar te maken voor gebruik als qubit.
In De Race is te zien dat niet alles van een leien dakje gaat, zoals vaak in de wetenschap. Gefrustreerde promovendi, jarenlange experimenten die tot niets lijken te leiden en apparaten die constant kapot zijn, passeren de revue. Is de finish inmiddels in zicht? ‘Het doel was om aan het einde van De Race de majorana-qubit te hebben’, zegt Kouwenhoven. ‘We hebben ontdekt dat we wat stappen terug moesten nemen om uiteindelijk de grote sprong voorwaarts te kunnen maken. We moesten nieuwe materialen ontwikkelen, daarvoor was een gigantisch apparaat nodig. Dat is in de film goed te zien. Inmiddels werkt dat allemaal en zijn we bezig de eindjes aan elkaar te knopen en een qubit te bouwen.’ Maar één qubit maakt natuurlijk nog geen quantumcomputer. ‘Het doel is dit jaar één goede qubit te kunnen produceren. Als dat lukt, kunnen we er daarna meerdere bij elkaar gaan zetten.’
Speculatie
Wie gaat winnen is speculatie, maar duidelijk is dat de race langzaam verschuift van het domein van de universiteiten naar de techgiganten. ‘Twee, drie jaar geleden hebben de bedrijven het een beetje overgenomen.’, schetst Kouwenhoven. ‘IBM, Google, Microsoft en Intel, tegenwoordig ook Alibaba, Tencent en Toshiba, noem maar op. Deze bedrijven hebben zo’n grote hoeveelheid geld en mensen tot hun beschikking, dat ik niet verwacht dat de eerste quantumcomputer nog bij een universiteit gebouwd zal worden.’ Om deze reden ging Kouwenhoven, oorspronkelijk verbonden aan de TU Delft, een samenwerking aan met Microsoft. Dit resulteerde in een spiksplinternieuw Delfts Microsoftlab, onder leiding van Kouwenhoven. Maar hoe belangrijk is het nou eigenlijk om de race te winnen? ‘Wetenschappelijk gezien is het gewoon heel interessant om de eerste te zijn.’
Kouwenhoven weet in al zijn nieuwsgierigheid al wat hij de eerste quantumcomputer die qua rekenkracht boven de huidige computers uitstijgt zou voorschotelen. ‘Ik zou heel graag zien hoe hogetemperatuursupergeleiding in elkaar zit. Ook zijn er heel interessante kosmologische problemen die je zou kunnen gaan simuleren op een quantumcomputer, dat lijkt me wel leuk. En dan kunnen andere mensen medicijnen gaan ontwikkelen.’
‘De Race – hoe bouw je een quantumcomputer?’ is maandag 4 februari om 20.25 uur te zien op NPO 2.
Dit artikel verscheen op 26 januari in het AD.
