Doorpakken met die kwantumcomputer!

De kwantumcomputer is een magisch apparaat waar al twintig jaar lang aan gewerkt wordt. Dit jaar is de ontwikkeling ervan in een stroomversnelling beland.

De kwantumtheorie is ruim honderd jaar oud, maar blijft tot de verbeelding spreken. Zo voorspelt ze dat een elektron op twee plekken tegelijk kan zijn. Dit is door talloze experimenten aangetoond, ook al blijft het moeilijk te geloven en te bevatten wat dit betekent.

Intussen laten wetenschappers de verbazing achter zich en maken ze heel gericht gebruik van dit bijzondere kwantumgedrag om nieuwe technologie te ontwikkelen die in de “normale” wereld ondenkbaar is. Zo kan de kwantumcomputer onnoemelijk veel sneller berekeningen uitvoeren dan andere computers, is de beveiliging van het kwantuminternet gegarandeerd door de wetten van de natuurkunde, hebben kwantumsensoren een gevoeligheid die vele malen hoger is dan die van normale sensoren, enzovoort.

Kwantumtechnologie vereist dat we de toestand van individuele elektronen, lichtpakketjes (fotonen), of atomen met grote nauwkeurigheid kunnen aansturen en uitlezen. Hoe ondenkbaar ook, dit is vandaag volop mogelijk in het lab. De belangrijkste uitdaging is dat de kwantumtoestanden heel makkelijk verstoord worden door de geringste verandering in de omgeving.

Bij een kwantumcomputer leidt die verstoring tot fouten in de berekeningen. Bestaande ideeën om deze fouten te corrigeren voordat de berekening de mist in gaat, stelden extreem hoge eisen aan de kwantumbits: er mocht hoogstens één fout optreden per 10.000 stapjes in de berekening. Dit was heel moeilijk te bereiken.

In de laatste paar jaar is dit beeld grondig veranderd. Door een theoretische doorbraak is één fout per honderd stapjes nog acceptabel: dat is een stuk haalbaarder. Bovendien was er een experimentele doorbraak waardoor de verstoring van kwantumbits met meerdere ordes van grootte is verminderd.

Daarmee is dit jaar de overtuiging gegroeid dat de kwantumcomputer er echt gaat komen. Er zijn nog prangende open wetenschappelijke vragen, zoals welk materiaal het meest geschikt is om kwantumbits uit te maken. In Delft zetten we in op kwantumbits op een computerchip gemaakt uit halfgeleiders zoals silicium, supergeleiders zoals aluminium, of diamant.

Tegelijk worden ook de enorme technologische uitdagingen duidelijker. Daarom hebben we aan de TU Delft een nieuw centrum opgericht, QuTech, waar natuurkundigen en ingenieurs de handen ineen slaan met technologen van TNO. Het doel is om de volgende wetenschappelijke doorbraken te forceren en de basis te leggen voor toekomstige technologie.

 

Lieven Vandersypen is Antonie van Leeuwenhoek hoogleraar aan het Kavli Instituut voor Nanowetenschappen aan de TU Delft en is werkzaam in QuTech. Hij werkt aan kwantumbits, gemaakt in halfgeleidermaterialen zoals silicium. Lieven Vandersypen studeerde Werktuigbouwkunde aan de KU Leuven en is in 2001 gepromoveerd aan de Stanford Universiteit in Californië op de eerste experimentele realisatie van kwantumalgoritmes.