Van de olie naar de quantumbits

Toen hij in Delft studeerde was quantummechanica ‘niet nodig’ voor ingenieurs. Nu laat Hans Mooij er bloeiend quantum-onderzoek achter.

Margriet van der Heijden

“Ik had altijd in mijn hoofd”, zegt prof. dr. ir. Hans Mooij, “om de industrie in te gaan.” En dat deed hij ook. Maar niet voor lang, want na een blauwe maandag bij Shell, keerde Mooij in 1971 terug naar zijn alma mater.

Vorige maand nam hij er afscheid, na 35 jaar. Mooij begon in Delft als eerste en lange tijd enige wetenschappelijke medewerker van hoogleraar Jan Berend Westerdijk, zijn voormalige promotor. Hij eindigde er zijn loopbaan als hoogleraar en directeur bij het Kavli Institute of Nanoscience, een bloeiend en vooraanstaand onderzoeksinstituut waar negen hoogleraren en nog eens tien keer zoveel promovendi en postdocs onderzoek doen aan de kleinst maakbare structuren.

Fundamenteel onderzoek is het, maar wel met zicht op toekomstige toepassingen. En dat sluit beter bij zijn interesse aan dan het puur praktijkgerichte werk bij Shell destijds, zelfs al was het daar ‘ook leuk en spannend’. “Ik werkte op het hoofdkantoor mee aan een test van een nieuwe katalysator. Die was strategisch heel belangrijk, want olie uit Nigeria kon alleen met die katalysator verwerkt worden.” Maar bij de test van het ‘spul’ in Pernis bleek dat het zich anders gedroeg dan verwacht. Het leek zelfs binnen de kortste keren op te branden. “Dat gaf natuurlijk allemaal toestanden. Prachtig, en ik zat er middenin. Maar toen na een maand de katalysator zich ineens normaliseerde, was alle interesse meteen weg: het werkte en daarmee was de kous af. Terwijl ik wilde weten waarom dat zo was en bleef zeuren: laten we het uitzoeken.”

Mooij besloot terug te keren in de wetenschap en de makkelijkste weg was die naar Delft. Tegenwoordig zou dat niet meer kunnen, geeft hij toe. Wie een vaste aanstelling in de wetenschap wil hebben moet eerst jaren als tijdelijk medewerker (postdoc) in het buitenland aan de slag. “Maar ik zou ook niemand aanraden om het net zo te doen zoals ik. Als je iets wilt bereiken in de wetenschap moet je niet op één plek blijven zitten.” Wie weet waar hij was terechtgekomen als hij meteen na zijn promotie als postdoc naar de Verenigde Staten was gegaan, zegt hij. “Nou ja, ik heb nergens spijt van.”

In Delft begon Mooij met werk aan supergeleidende materialen – onderzoek met het oog op een toepassing. “Maar we konden doen wat we wilden. Het was niet zo dat de toepassing eruit moest komen. Er was geen project ingediend. Er was gewoon geld en je ging wat doen. En dat ging toen ook een heel andere kant op.”

Waar het heen ging, is af te lezen aan het cadeau dat hij bij zijn afscheid kreeg en dat nu in zijn werkkamer op tafel staat. Een ‘kerfstok’ is het, een aluminium cilinder waarin een streepje is gegraveerd voor elk jaar dat hij in Delft werkte. En waarop zijn belangrijkste publicaties zijn weergegeven. Ruim tien in Physical Review Letters in de jaren zeventig en tachtig, en nog eens vier in de beroemde vakbladen Science en Nature de afgelopen tien jaar. Ze waren het resultaat van één leidraad, zegt Mooij. “Wat ik mijn hele leven eigenlijk heb gedaan is structuren steeds kleiner maken en dan kijken wat er gebeurt. En daarmee heb ik een heleboel leuke effecten kunnen zien.”

quantumbits

Over de vraag in welk onderzoek hij het meeste plezier had hoeft Mooij niet lang na te denken. “In mijn laatste onderzoek”, zegt hij. “Misschien vind je het onderzoek waar je hoofd vol van is, altijd het leukst. Maar ook als ik het objectief probeer te bekijken, is mijn laatste onderzoek aan de quantumbits toch het allerleukst.” En dat komt vooral doordat de resultaten van dat onderzoek door veel mensen niet voor mogelijk werden gehouden. “Als iets blijkt te werken terwijl veel mensen denken dat het niet kan, geeft dat erg veel voldoening.”

De quantumbits waar Mooij op doelt zijn minuscule ringetjes van supergeleidend materiaal waarin ongeveer een miljard elektronen samen een elektrisch stroompje vormen. Het onverwachte is dat die miljard elektronen zich samen gedragen alsof ze één enkel deeltje zijn. Hun gedrag wordt dus, net als het gedrag van één deeltje, bepaald door de regels van de quantummechanica. Regels die elke derdejaars student natuurkunde leert, zegt Mooij, maar die tot wonderbaarlijke fenomenen leiden.

Het fenomeen bijvoorbeeld dat een deeltje tegelijkertijd in meerdere toestanden kan verkeren. Toestanden die elkaar volgens het gezond verstand zouden moeten uitsluiten of die hooguit om en om zouden kunnen optreden. Dat superpositie-fenomeen treedt ook op in Mooijs minuscule ringetjes: de stroom daarin kan tegelijkertijd linksom en rechtsom draaien.

“En deze zomer”, vertelt hij, “hebben we een ideale quantummeting ontwikkeld. Die liet ook iets zien wat elke derdejaars student natuurkunde je kan vertellen: dat een meting een quantummechanisch systeem in één van zijn toestanden projecteert.” Een meting dwingt zo het systeem om te kiezen: of linksom of rechtsom draaien bijvoorbeeld, maar niet langer allebei tegelijk. En precies dat werd waargenomen: als de stroom tijdens de eerste zorgvuldige meting linksom liep, dan liep de stroom wat later, tijdens een tweede meting, nog steeds alleen maar linksom. “Dat klinkt misschien teleurstellend omdat er precies gebeurt wat volgens het boekje moet gebeuren. Maar in de praktijk is het verschrikkelijk moeilijk om een experiment uit te voeren waarin dit gedrag zichtbaar is.”

En dan is er nog ‘verstrengeling’, waarbij de toestanden van twee deeltjes op een of andere manier verweven raken. Wordt vervolgens een handeling of meting toegepast op een van de twee deeltjes, dan verandert gelijktijdig de toestand van het partnerdeeltje. Ook als de deeltjes van elkaar verwijderd zijn en niet kunnen communiceren – zelfs niet met licht, simpelweg omdat de lichtsnelheid hiervoor te traag is. In Mooijs groep werden twee minuscule ringetjes met elkaar verstrengeld.

In zijn afscheidsrede memoreerde hij hoe al dat onderzoek is voortgekomen uit ideeën die ruim tien jaar geleden ontstonden tijdens een sabbatical in Japan en de Verenigde Staten. Rond die tijd werd Mooij ook uitgenodigd als spreker op een conferentie met de titel Fundaments of Quantum Mechanics. En ook die herinnering haalde hij op. Niet voor niets. “Tijdens mijn studie technische natuurkunde leerden we alleen het hoogstnoodzakelijke over quantummechanica. Meer was voor ingenieurs niet nodig, dacht men. Dus toen ik tijdens dat congres op het podium stond, was ik eventjes verbaasd over hoe ver ik gekomen was.”

quantumcomputer

De vlucht die het onderzoek aan quantumbits heeft genomen, heeft natuurlijk veel te maken met de belofte van de quantumcomputer. In zo’n toekomstige computer zou een quantumbit telkens twee toestanden representeren – vergelijkbaar met de nullen en enen van de bits in een gewone computer. Quantumverstrengeling zou daarna zorgen voor dezelfde basisbewerkingen die een gewone computer toepast. Met dat verschil dat quantumbits tegelijk nul en een kunnen zijn en dus parallel aan meerdere berekeningen kunnen werken. In 1994 liet de Amerikaanse informaticus Peter Shor zien dat quantumcomputers op die manier razendsnel bepaalde problemen kunnen oplossen die voor ‘gewone’ supercomputers niet te hanteren zijn.

Op papier tenminste. Als we binnen afzienbare tijd een systeem van vijf quantumbits kunnen bouwen, ben ik dik tevreden, temperde Mooij in 1995 in deze krant het enthousiasme. “En nu hebben we er dus twee. Maar vijf gaan we zeker halen. Meer nog wel, twintig of veertig.”

En een systeem van meer dan tienduizend quantumbits dat werkt volgens de algoritmes van Shor? “Dat zal niet makkelijk zijn. Daar zijn nog veel grote doorbraken voor nodig”, denkt Mooij. “Maar ik geloof zeker in quantuminformatie”. In het gebruik dus van quantumsystemen om informatie op te slaan en te verwerken. Alleen valt nu nog niet goed te beoordelen hoe die systemen eruit zullen zien. “Zelfs op een grote computer kun je geen systeem van twintig quantumdeeltjes nabootsen. Je kunt er dus niet aan rekenen. Pas als je zo’n systeem echt kunt bouwen, kun je het onderzoeken en bekijken wat het kan.”

Zijn vakgenoot op het theoretisch vlak, de Nijmeegse hoogleraar Jeroen van den Brink, stelde eerder dit jaar in zijn oratie dat de quantumcomputer vooral een ‘functionele mythe’ is. Een verhaal dat niet per se uitkomt, maar dat onderzoekers en geldschieters wel op de been houdt. En dat intussen óók zorgt voor nieuwe inzichten in de quantummechanica die onderzoekers doen ‘zinderen’. “Zo geformuleerd ben ik het daar wel mee eens”, zegt Mooij bedachtzaam. “Kijk, ik geloof in toepassingen ontwikkelen vanuit begrip. Tegen de tijd dat we een systeem hebben van twintig quantumbits, hebben we een heel andere kijk op quantummechica en wat je er mee kunt. Je moet de huidige ontwikkelingen in elk geval niet onderschatten. We kunnen het gewoon nog niet goed bedenken. Zoals het ook met de transistor was: destijds bedacht men alleen maar dat je er de radiobuis mee kon vervangen. Dat er processoren uit zouden voortkomen had niemand voorzien.”

terugkijken

Bij afscheid nemen hoort terugkijken. Op de enorme verandering bijvoorbeeld die de TU Delft – destijds nog de Technische Hogeschool – heeft doorgemaakt. Het is een echte universiteit geworden, vindt Mooij, niet alleen in naam. Er wordt nu kennis gemaakt, en niet alleen maar binnengehaald en doorgegeven, stelde hij – ‘een beetje zwartwit natuurlijk’ – in zijn afscheidsrede. “Destijds was de TH een instituut waar men hoogleraren zocht uit de praktijk – met knowhow uit die praktijk. Dat zie je op universiteiten nog wel eens gebeuren, maar toch is het geen goed systeem: zo krijg je een cursusinstituut.”

Zelf was Mooij destijds de eerste promovendus in twintig jaar bij zijn hoogleraar. “Misschien omdat ik de eerste was die aan hem voorstelde om te gaan promoveren.” Nu wemelt het op zijn instituut van de promovendi en de post-docs, de laatste allemaal uit het buitenland. En hij moet toegeven dat die veranderingen aan de TU mede voortkomen uit “een maatregel van de minister waar ik verschrikkelijk tegen ben: dat universiteiten betaald worden naar het aantal promovendi dat in dienst is. Dat vind ik een belachelijk systeem, maar voor deze TU heeft het wel goed uitgewerkt. Het zorgde ervoor dat ook groepen die niet gewend waren om promovendi te hebben, de bittere noodzaak gingen voelen.”

Verder, zegt Mooij, is de maatregel natuurlijk bespottelijk. “Promovendi neem je aan omdat je ze mogelijkheden kunt bieden en goed onderzoek te doen hebt, niet om er geld mee te verdienen.” Anders gezegd: kwaliteit zou voor kwantiteit moeten gaan. Altijd.

De trend om onderzoek af te rekenen op het aantal publicaties is dus al even onzinnig. “Zo’n aantal zegt me nou helemaal niks. Het zou vanzelfsprekend moeten zijn dat de inhoud telt.” Om maar te zwijgen over de almaar groeiende rompslomp van de bureaucratie, iets waarover hij zich ‘echt kan opwinden’.

Gelukkig veranderen sommige dingen niet. De belangrijkste daarvan? “De studenten. Dat is het leuke van een universiteit. Dat er elk jaar weer nieuwe jonge mensen komen. Met andere kleren en andere gedragingen, maar met nog steeds hetzelfde enthousiasme.”