Wereldraadsel oplossen in ijskoude kerk

Natuurkunde

Leo Kouwenhoven haalde de wereldpers met zelf gemaakte ‘majorana-deeltjes’. Dat zijn mogelijk bouwstenen van grote quantumcomputers, die vele geheimen van het leven kunnen helpen doorgronden.

Elf uur. Leo Kouwenhoven drinkt koffie met emeritushoogleraar Hans Mooij, zijn voormalige baas. Op crocs. “Mijn fietskleren”, gebaart hij ter verklaring, en hij verdwijnt in één van de brede gangen om zich om te kleden.

Het is zo rustig en stil in het jarenzestiggebouw op de campus van de Technische Universiteit Delft. Rustig. Je voelt niets van opwinding, die je wél zou verwachten nu de namen van Kouwenhoven en zijn collega’s door laboratoria wereldwijd gonzen.

Hier in Delft doet fysicus Kouwenhoven al jaren onderzoek naar de bouwstenen van toekomstige quantumcomputers. Bij wijze van computerbits sloot hij bijvoorbeeld elektronen op in ‘doosjes’ op de schaal van nanometers (miljoenste millimeters). Het leverde hem in 2007 een Spinozapremie op.

Maar zelf zat Kouwenhoven niet vaak meer achter de elektronenmicroscoop of labcomputer. Te veel leidinggevende taken. Tot een jaar geleden, vertelt hij als we even later naar een Delfts terras lopen. Zo spannend werd toen ineens het onderzoek weer. “Ik moest gewoon naar het lab om mee te kijken wat er uit de metingen kwam.”

Na veel gepruts, herhalen en controleren waren dat: ‘majoranadeeltjes’ (Science, 25 mei) – nooit eerder waargenomen deeltjes, die zich anders gedragen dan alle andere tot dusver ontdekte deeltjes. Na een lezing daarover begin maart in Amerika vlogen de majorana’s over twitter en internet. Ze maakten Kouwenhoven en collega’s beroemd. Minister-president Rutte riep Kouwenhoven alvast uit tot toekomstig Nobelprijswinnaar.

Hoe was al die aandacht?

Kouwenhoven: “Het was een hype. Sommige dingen waren leuk: zoals een uitzending van Pauw en Witteman meemaken. Maar andere dingen vond ik een beetje beschamend.”

Beschamend?

“Ja. Sommige organisaties buiten ons werk uit. Zo hoorde ik bij toeval dat ScienceGuide (lobbygroep van het hoger onderwijs in Nederland, red.) rondleidingen aanbiedt ‘door het lab van de toekomstig Nobelprijswinnaar’.” Kijkt vorsend opzij. “Ik wist van niks; en zit trouwens op die rondleidingendag in het buitenland. Maar vooral: we hebben helemaal geen Nobelprijs gewonnen.”

De ontdekking van een nieuw type deeltje is wel Nobelprijswaardig.

“In elk geval niet dit jaar – voor je het weet wordt dat er ook bij gezegd. Zelf denk ik dat het comité de prijs pas toekent als óók is aangetoond dat majoranadeeltjes aan de niet-Abelse statistiek gehoorzamen.” Dat ze zich dus inderdaad anders gedragen dan alle andere deeltjes. “En dat proberen we nu naarstig voor elkaar te krijgen.”

En daarmee kunnen andere groepen jullie nog aftroeven?

“Ja, dat kan. In onze publicatie hebben we de resultaten heel sec gepresenteerd, met een gedetailleerde uitleg van de experimenten. Bewust: we wilden niks opdringen. Collega’s moesten zelf de conclusie kunnen trekken: dit zijn majorana’s. Maar ze lezen zo natuurlijk ook welke punten we nog moeten verbeteren om het gedrag van majorana’s te bestuderen.”

Loopt u dus af en toe nagelbijtend rond?

“Nee, zo erg is het niet. Tijdens onze vorige meetreeks keek ik wel elke ochtend op arXiv (de webserver waar fysici hun jongste resultaten plaatsen , red.) Als er in een titel ‘majorana’ stond”, haalt diep adem, “dan hield ik wel even mijn adem in.

Weet u hoe ver andere groepen zijn?

“Ja, daar hebben we aardig zicht op. Maar zelfs al lopen we nu voor, er kan altijd iets misgaan. In februari, midden in onze eerste meetreeks, gingen we schaatsen en viel Vincent van Mourik, de eerste auteur van ons artikel, na een botsing op zijn hoofd. Zijn kortetermijngeheugen was helemaal weg. In het ziekenhuis vroeg hij telkens wat er gebeurd was, en als we het hem vertelden, dan vroeg hij het vijf minuten later weer. Op het laatst schreven we het op een briefje, en intussen dachten we: daar gaat ons experiment, want van sommige aspecten kende alleen Vincent alle ins en outs.”

Het kwam goed.

“Gelukkig wel.”

Majoranadeeltjes zijn vernoemd naar de Italiaanse fysicus Ettore Majorana, die hun bestaan in 1937 voorspelde en een jaar later spoorloos verdween. Majorana vond een buitenissige oplossing van de befaamde Diracvergelijking (die een groot deel van de elementaire deeltjes beschrijft), namelijk: deeltjes die hun eigen antideeltje zijn.

Dat kan alleen als zulke deeltjes geen elektrische lading dragen (anders onderscheiden hun antideeltjes zich met een tegengestelde lading). Als ze geen energie dragen (anders onderscheiden hun antideeltjes zich met negatieve energie). Als ze niet om hun as tollen (anders tollen hun antideeltjes in tegengestelde richting) enzovoorts. Eigenlijk zijn het ‘deeltjes zonder eigenschappen’.

Misschien bestaat de geheimzinnige donkere materie in het heelal wel uit die onopvallende en daardoor haast niet waarneembare majorana’s, zo vermoeden fysici. Maar in het lab maakten Kouwenhoven en collega’s andersoortige majorana’s. Hun ‘kunstmatige’ majorana’s bestaan uit duizenden elektronen – met elektrische lading en tollend – die zich netto toch gedragen als deeltje zonder lading, dat níet om zijn as tolt enzovoorts.

Quasideeltjes heten zulke samengestelde deeltjes die verder net ‘echte’ deeltjes zijn. Kouwenhoven en collega’s maakten ze naar een recept waarvoor de basis ruim tien jaar geleden werd gelegd door de Russische mathematisch-fysicus Alexei Kitaev (Physics Uspekhi, oktober 2001). Ze werkten met structuren zo klein dat die alleen door een elektronenmicroscoop zichtbaar zijn. En bij temperaturen zo laag (een paar duizendste graad boven het absolute nulpunt) dat het zelfs in de kosmos warmer is.

In die kou maakten de Delftse fysici een ‘nanodraadje’ van halfgeleidermateriaal supergeleidend, door het als een brug te leggen tussen een strookje goud en een strookje supergeleidend materiaal. Door bovendien te spelen met materiaaleigenschappen en magneetvelden, konden ze de elektronen in dat draadje temmen. Zodat dus duizenden elektronen aan elk uiteinde ervan een majorana vormden.

Dat waren echt majorana’s?

“Daarvan zijn we vrijwel zeker. Een groot deel van ons werk bestond uit het uitsluiten van andere verklaringen voor het fenomeen. Bovendien hebben fysici van het Weizmann Instituut in Israël onze resultaten nu gerepliceerd.” (arXiv 1205.7073v1, 31 mei 2012)

En zulke deeltjes vallen niet gemakkelijk weer uit elkaar?

“Nee, de elektronen houden elkaar in de greep. De beste vergelijking vind ik nog altijd die met de wave op de tribunes van een voetbalstadion. Ik zou daar in mijn eentje kunnen opstaan en gebaren: ‘stoppen nu’, maar dat zou geen enkel effect hebben. Die wave, die collectieve beweging, blijft bestaan. Net als een majorana.”

Als het tenminste ijskoud is en het draadje minuscuul...

“Dat laatste hoeft niet. In structuren van bijvoorbeeld een meter lang kun je majorana’s moeilijker ontdekken. Maar als je eenmaal weet hoe je ze moet maken, dan zijn majorana’s in zulke grote structuren zelfs stabieler. Dat komt óók doordat de supergeleiding die ervoor nodig is, onvoorstelbaar stabiel is.

Nu glimmen zijn ogen. “Op basis van juist zulke grote structuren ligt er nu een praktisch ontwerp voor een quantumcomputer.”

Zo’n quantumcomputer gebruikt het feit dat majorana’s, zoals de twee in uw draadje, via de regels van de quantummechanica met elkaar verweven zijn?

“Het klassieke voorbeeld daarvoor is de Möbiusband.” Een smalle reep papier waarin je één slag draait en waarvan je daarna de uiteinden aan elkaar plakt. Gebarend: “Ik kan zo’n band verfrommelen, hem in mijn zak stoppen, maar die slag blijft erin zitten. En als ik in zo’n slag informatie stop, een code 010 bijvoorbeeld, gaat die informatie dus niet verloren.

“Net zo is de quantumtoestand van twee verweven majorana’s heel stabiel – en in die toestand ligt informatie besloten. In zo’n quantumcomputer kun je op slimme wijze (volgens die niet-Abelse statistiek, red.) gaan breien met vele majoranaparen – en zo complexe informatie verwerken.”

En zo’n computer komt er?

“Jazeker. Een paar jaar geleden was ik nog sceptisch, maar nu ben ik heel optimistisch. Het mooie is dat we nu dat gedetailleerde ontwerp hebben. Niet uitsluitend op basis van majorana’s, je kunt er op een uitgekiende manier ook de quantumdoosjes in verwerken die we eerder maakten.

Het cruciale inzicht, met dank dus aan Alexei Kitaev, is de ‘topologie’. Ofwel: het werken met ‘objecten’ die net als een Möbiusring hun vorm bewaren, ook al verschuif je ze, druk je ze samen, of stuur je ze een bocht om. Tenzij je ze natuurlijk, al dan niet elektronisch, los knipt.

Hoe ziet die computer eruit?

“Een topologische quantumcomputer naar dit ontwerp is enorm. Zoiets als de Oude Kerk”, wijst op de scheve toren achter het terras. “Maar: we hebben dus een plan. En ik verwacht dat in de komende paar jaar iemand een miljard op tafel legt om daarmee aan de slag te gaan. In de VS, denk ik.”

Een computer als een kerk?

“Of een grote loods.” Lacht droogjes. “Die dus tot tegen het absolute nulpunt gekoeld moet worden. In Europa zouden we zeggen: daar beginnen we niet aan. Maar in de VS weten ze: als je begint, en een eerste ‘push’ geeft, dan lossen veel problemen zich gaandeweg wel op. Daar hebben ze vijftig jaar geleden ook miljarden bij elkaar gebracht om een mens op de maan te zetten – terwijl vooraf totaal onduidelijk was of dat zou lukken.”

Weer een vorsende blik. “‘Een grote stap voor de mensheid’ is die mens op de maan genoemd. Maar quantumcomputers zullen een veel grotere revolutie teweegbrengen.”

Want?

“Neem wijn. Dezelfde druivenstokken op dezelfde bodem geven het ene jaar andere wijn dan het andere jaar. Waarom? Zelfs die simpele vraag – wijn bestaat uit water, alcohol en maar een paar andere stofjes – kunnen we niet beantwoorden. Met een quantumcomputer komen zulke én complexere problemen wel binnen bereik. We zullen ineens veel meer begrijpen van de materialen die ons leven bepalen: in ons lichaam, in voedsel, in elektronica, noem maar op. En we zullen veel gerichter nieuwe materialen kunnen ontwerpen: voor medicijnen, om energie op te wekken...”

Lachje. “Dus: het is een groot ding, maar dan heb je ook wat.”

Wat bracht Kouwenhoven ertoe om te gaan werken aan die majorana’s, die hem terug het lab in dreven en die hem van een scepticus in een optimist veranderden? En die hij een paar jaar geleden naar eigen zeggen “alleen van naam” kende.

“Een sabbatical in New York in 2009”, zegt hij. In een half jaar bezocht hij vanuit die stad ruim dertig onderzoeksinstituten in de VS en besprak daar de laatste ontwikkelingen in zijn vak. Waaronder dus recepten om majorana’s te maken.

U ging doelbewust inspiratie op doen?

“Nou, het was mijn vrouw.” Droog lachje. “Zij wilde naar New York en dat paste mooi bij een Amerikaans project waarvoor ik toch al die instituten moest bezoeken.”

Zo ontmoette u Michael Freedman...

“Ja, hij is mijn held geworden. Heb je hem wel eens gezien?” Kouwenhoven schuift op zijn iPhone een foto van drie mannen tevoorschijn, bij een boot op het strand. “Michael staat in het midden. Een echte nerd. Zie je? Hij heeft zijn blouse scheef dichtgeknoopt.”

Freedman won eerder een Fieldsmedaille, de Nobelprijs voor de wiskunde. Hij werkt aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara bij een onderzoeksinstituut van computerbedrijf Microsoft. Aan de topologie van quantumcomputers.

Kouwenhoven: “Freedman was mijn lijntje naar de top van Microsoft. Hij bracht me in contact met de CEO’s van dat bedrijf. Tijdens een strandwandeling hebben we daarna met een handdruk een contract bezegeld.”

Hoeveel geld Kouwenhoven van Microsoft kreeg om de majorana’s te maken mag hij niet zeggen. Wel dat hem nu weer zo’n bedrag is toegezegd. En na de ontdekking van de majorana’s werd hij op het hoofdkantoor van Microsoft in Redmond (Washington) onthaald op een ‘majoranataart’.

Ze waren blij...

“De CEO’s van grote bedrijven in de VS zijn sowieso veel meer geïnteresseerd in onderzoek en veel beter op de hoogte. Ze vliegen naar je lab toe, in hun gewone kleren, en nemen een paar uur de tijd om je experimenten te bekijken.

“In Nederland is dat zo anders. De CEO’s van Philips en DSM zijn mannen met stropdassen die ergens belangrijke dingen doen. Ik ben er nog nooit een tegengekomen.”

Sterker, zijn onderzoek in Delft valt buiten alle topsectoren, zegt Kouwenhoven. Terwijl het topsectorenbeleid in principe de samenwerking tussen bedrijven en wetenschappers moet bevorderen. “Maar mijn werk is te fundamenteel.”

Dus als er straks een Amerikaan een miljard op tafel legt voor het bouwen van zo’n quantumcomputer...

“Als ik er een rol in kan spelen, dan doe ik mee.” Lacht weer droogjes. “Zeker als die loods dan bij New York komt te staan, of bij San Francisco... Maar eigenlijk wil ik niet weg en ik wil de keuzes in mijn leven zeker niet laten bepalen door de politiek.”

Bovendien, het onderzoek in zijn vakgebied mag dan wereldwijd een “explosie” hebben doorgemaakt, hijzelf heeft eerst nog wat in Delft te doen: het gekke gedrag van de majorana’s vastleggen.