Computer van de toekomst

Het Delftse lab QuTech krijgt 135 miljoen voor ontwikkeling van een quantumcomputer, die supersnel problemen door kan rekenen. Nederland wil in de voorhoede.

Illustratie Mariette Twilt

Hoe 135 miljoen aan onderzoeksfinanciering eruitziet? „A bunch of noisy tubes”, zeg Maja Cassidy te midden van het lawaaiige gepomp van dertien koelinstallaties.

De postdoctorale onderzoeker, gepromoveerd aan Harvard en afkomstig uit Australië, doet hier onderzoek naar quantumcomputers: een nog-niet-bestaand computertype, dat problemen supersnel kan doorrekenen door gebruik te maken van quantummechanica. Ze werkt bij QuTech, het laboratorium van het quantumcomputer-onderzoeksinstituut in Delft.

QuTech is een samenwerking van de TU Delft en TNO. Onlangs werd bekend dat het instituut 135 miljoen euro aan onderzoeksfinanciering ontvangt (verspreid over tien jaar) van NWO, het ministerie van Economische Zaken en bedrijven als Microsoft. Voor wetenschappelijk onderzoek is dat een buitengewoon fors bedrag, goed voor veertig vaste onderzoekers. Zo zet Nederland in op de computertechnologie van de toekomst. Al moet het nog wel even lukken om die quantumcomputer daadwerkelijk te bouwen, want de technologie is extreem complex.

Qubits: een natuurkundige droom?

„Hier laden we onze samples in de koelers”, zegt Cassidy op de benedenverdieping aan de onderzijde van de koelmachines. Deze samples zijn chipjes, met daarop minuscule maar complexe structuren met supergeleiders, diamant, silicium of andere materialen. Ze lacht: „We gebruiken enorme apparaten om heel kleine dingen te maken.”

Onderdeel van die kleine structuren zijn quantum-bits, of qubits, die het quantummechanische gedrag vertonen dat uiteindelijk moet leiden tot een decennia-oude natuurkundige droom: quantumcomputers, speciale computers die in seconden complexe berekeningen kunnen uitvoeren die gewone computers miljarden jaren zouden kosten.

De quantumcomputer is gebaseerd op de quantummechanica, de natuurwetten die het gedrag beschrijven van het allerkleinste: atomen, elektronen, lichtdeeltjes of fotonen.

Die quantummechanische natuurwetten zijn – voor ons bewoners van de macrowereld – nogal eigenaardig. Zo hebben deeltjes geen vastomlijnde eigenschappen, totdat je er een meting op uitvoert. Ze kunnen bijvoorbeeld op meerdere plaatsen tegelijk zijn, en elektrische stroompjes kunnen tegelijkertijd zowel linksom als rechtsom draaien.

Supersnel rekenen

Quantumcomputers maken slim gebruik van al die gespleten quantumpersoonlijkheden. Namelijk om meerdere berekeningen tegelijk uit te voeren (zie kader). Lang leek dit een hersenspinsel, tot begin jaren negentig werd aangetoond dat bepaalde rekentaken fundamenteel sneller kunnen verlopen op een quantumcomputer.

Natuurkundigen proberen sindsdien de quantumcomputer te realiseren. „Het onderzoek in Delft loopt al twintig jaar”, zegt Leo Kouwenhoven, wetenschappelijk directeur van QuTech. Zijn voorganger Hans Mooij maakte bijvoorbeeld een ultragekoeld, supergeleidend ringetje, waarin een stroompje zowel linksom als rechtsom stroomt.

Inmiddels loopt het aantal kandidaat-qubits wereldwijd in de tientallen. In Delft werken ze bijvoorbeeld ook met stikstofatomen in diamantkristallen en met kleine holtes waarin microgolfjes rondkaatsen. In 2012 maakte Kouwenhoven zelf furore met de ontdekking van het Majorana-deeltje, een exotisch natuurkundig verschijnsel dat ook dienst kan doen als een stabiele qubit. „We maken ze nu bijna dagelijks”, zegt Kouwenhoven.

De volgende stap is om qubits aan elkaar te koppelen, ze samen te laten werken en quantumcomputers zo stap voor stap op te bouwen en uit te breiden. Daarin is QuTech overigens niet de enige.

Tientallen andere onderzoeksgroepen werken aan quantumcomputers, onder meer aan de Amerikaanse universiteiten Yale en Harvard. Maar ook bijvoorbeeld de University of Science and Technology in Hefei, China.

De NSA wil er ook één

Commerciële belangstelling is er ook. In 2011 presenteerde het bedrijf D-Wave-systems een speciaal type quantumcomputer. Daarvan is nog steeds niet duidelijk of het er echt een is, al kocht defensiegigant Lockheed Martin er voor de zekerheid alvast een. Bedrijven als Google, Microsoft en IBM financieren quantumcomputeronderzoek. Ook de NSA investeert in quantumcomputers, blijkt uit Edward Snowdens gelekte documenten, om versleutelingen te kraken.

De lijst toepassingen groeit: snel zoeken in databases is steeds belangrijker in deze tijden van big data, en quantumcomputers zijn ook beter in het oplossen van complexe logistieke problemen.

De oprichting van QuTech is een stap van wetenschap naar technische uitvoering, zegt QuTech-onderzoeker Leo DiCarlo. „Een paar jaar geleden waren we nog bezig met basale algoritmen en fundamentele problemen.” Een obstakel is bijvoorbeeld ‘decoherentie’ van de qubits: met iedere storing van buitenaf verliezen ze hun quantuminformatie.

Toch lijkt decoherentie steeds meer een beheersbaar probleem. „Een paar jaar terug realiseerden we ons: de basistechnologie staat gewoon”, aldus DiCarlo. Nu gaat het erom de technologie bruikbaar te maken. „We zijn niet langer bezig om een qubit aan de praat te krijgen, maar om hele reeksen betrouwbaar te fabriceren en de kosten te beheersen.”

Dat klinkt natuurlijk mooi. Maar is er, met zulke geldbedragen en onderzoeksinzet, niet een hype-risico? Kouwenhoven vindt van niet: „Het is duidelijk dat de technologie een enorm potentieel heeft. Als de quantumcomputer toch niet blijkt te werken is het jammer, maar we hebben het wel geprobeerd. We moeten ons pas schamen als het ergens anders werkt, maar hier niet.”