Klap voor Delftse zoektocht naar quantumcomputer

De groep quantumfysici onder leiding van hoogleraar Leo Kouwenhoven, van het Delftse Microsoft Quantum Lab dacht in 2018 het bestaan aangetoond te hebben van een deeltje dat een bouwsteen kan zijn voor toekomstige quantumcomputers. Nu blijken de metingen waarin zij bewijs zagen voor het bestaan van het quantumdeeltje ook andere bronnen te kunnen hebben. De onderzoeksgroep trekt daarom hun publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Nature terug. Een integriteitscommissie van de TU Delft onderzoekt of de dataverwerking correct is uitgevoerd.

Kouwenhoven verwierf bekendheid met zijn zoektocht naar geschikte bouwstenen voor quantumcomputers. In 2007 ontving hij hiervoor een Spinozapremie, de hoogste wetenschappelijke prijs in Nederland. De laatste tien jaar was zijn aandacht gericht op het vinden van majoranadeeltjes. Ook Microsoft zag hier brood in. Sinds 2016 leidt Kouwenhoven daarom, naast zijn aanstelling bij de TU Delft, het Microsoft Quantum Lab.

Lees ook over de publicatie in 2018: Bewijs voor nuttig gebruik majorana’s bijna rond

De majoranadeeltjes waar Kouwenhoven naar zoekt kunnen gebruikt worden als qubits. Quantumcomputers samengesteld uit qubits zouden bepaalde taken veel sneller kunnen uitvoeren dan huidige computers. Qubits kunnen samengesteld worden uit verschillende deeltjes, bijvoorbeeld elektronen, atoomkernen of kleine supergeleidende circuitjes.

Of van majoranadeeltjes dus, die mogelijk minder verstoringsgevoelig zijn dan andere kandidaten. Dat komt doordat deze majorana’s geen losse deeltjes zijn. Het zijn zogeheten quasideeltjes, die ontstaan door het collectieve gedrag van andere deeltjes, vergelijkbaar met een golf die ontstaat op zee.

Volgens theoretici kunnen deze majoranadeeltjes opgewekt worden in nanodraadjes die duizend keer dunner zijn dan een haar en bedekt zijn met een supergeleidend materiaal. De majorana’s ontstaan door het gedrag van de elektronen in het draadje. Maar dat is theorie: de praktijk is weerbarstiger. De experimenten die nodig zijn om het bestaan van deze quasideeltjes aan te tonen zijn ingewikkeld om te bouwen en om uit te voeren. De superdunne draden moeten afgekoeld worden tot min 273,13°C en de metingen worden beïnvloed door kleine verstoringen.

Bewijs leek bijna rond

De onderzoeksgroep van Kouwenhoven zag in 2012 de eerste aanwijzingen voor het bestaan van majoranadeeltjes in nanodraadjes van indiumantimonide. Deze metingen waren niet duidelijk genoeg om van een ‘ontdekking’ te spreken. Dankzij nieuwe materialen verbeterde de groep het experiment en zes jaar later publiceerden ze in Nature meer overtuigende metingen.

Het bewijs voor majorana’s leek bijna rond. Tot er eind april 2020 in Nature een korte ‘uiting van bezorgdheid’ verscheen waarin de onderzoeksgroep meldde dat er mogelijk iets mis was met hun conclusies uit 2018. Er waren ‘mogelijke problemen met de manier waarop de ruwe metingen zijn verwerkt’, schreven ze.

Dit heeft nu geleid tot het terugtrekken van het Nature-onderzoek en de publicatie van een nieuw vervangend artikel, dat eind januari verscheen op de openbare preprintserver ArXiv. In de nieuwe publicatie schrijven de onderzoekers dat er ook twee andere verschijnselen zijn die het signaal kunnen verklaren dat ze eerder aanvoerden als ‘bewijs’ voor majorana’s. „Deze verschijnselen waren nog niet bekend toen het artikel in 2018 verscheen”, zegt Sumanta Tewari, hoogleraar quantumfysica aan de Clemson University. Tewari is niet betrokken bij het onderzoek. Hij heeft eerder gepubliceerd over de problemen die kunnen optreden bij het meten van Majoranadeeltjes. „Destijds leken de observaties voldoende om een ontdekking te claimen, maar dankzij voortschrijdend inzicht weten we dat er meer bewijs nodig is.”

Confirmation bias

Maar het Nature-artikel wordt niet vanwege dit voortschrijdende inzicht teruggetrokken, zegt Tewari. „De reden is een probleem met het verwerken van de metingen”, zegt hij. „De auteurs vermeldden in 2018 niet dat een groot deel van hun metingen géén bewijs tonen voor majorana’s. Ze focusten op het kleine deel van de metingen die mogelijk wel bewijs voor de deeltjes bevatten. Op zich geen probleem – het zijn lastige metingen – maar dit hadden ze in het Nature-artikel duidelijk moeten melden.”

„Het Nature-artikel uit 2018 was sterk geschreven vanuit de redenering ‘het zijn majorana’s en hier is het bewijs’, daardoor is het uit balans”, zegt Jan van Ruitenbeek, hoogleraar experimentele natuurkunde aan de Universiteit Leiden en niet betrokken bij het onderzoek. „Alleen aan het eind van het artikel komen andere verklaringen voor de metingen kort ter sprake en die worden snel afgedaan. Vergelijk het met een misdaad waarbij er drie verdachten in beeld zijn, maar twee al snel naar de achtergrond verdwijnen en al het onderzoek zich op een van de verdachten richt.”

Dit probleem erkent de onderzoeksgroep in het nieuwe ArXiv-artikel. Ze geven toe dat er sprake was van zogeheten confirmation bias, waardoor ze zich in het Nature-artikel vooral richtten op de metingen die toonden wat ze hoopten te vinden. De betrokken onderzoekers laten weten dat ze niet kunnen reageren omdat er een onderzoek loopt van de integriteitscommissie van de TU Delft. Dit zal moeten uitwijzen hoe die bias kon ontstaan.

„In het nieuwe ArXiv-artikel wordt het experiment uit 2018 in veel details besproken, met uitgebreidere analyses en een completere weergave van de metingen”, verduidelijkt Hans Hilgenkamp, hoogleraar nanofysica aan de Universiteit Twente. „In een van de meest prominente grafieken zie je bijvoorbeeld dat in het nieuwe artikel een aantal metingen staan die in dezelfde grafiek in het Nature-artikel niet staan. Het wordt niet helemaal duidelijk waarom dat zo is. Dat zal zorgvuldig onderzocht moeten worden door de integriteitscommissie.”

De problemen zijn mogelijk bij de groep van Kouwenhoven aangekaart door Sergey Frolov, van de University of Pittsburgh, en Vincent Mourik, van de University of New South Wales. Beide waren (respectievelijk acht en vier jaar geleden) onderdeel van de Delftse onderzoekersgroep, maar werkten er niet meer toen het Nature-artikel verscheen. Mourik was eerste auteur van het artikel uit 2012.

Op Twitter meldt Frolov dat zij een jaar geleden de groep van Kouwenhoven wezen op ‘een groot aantal problemen’ in het Nature-artikel, nadat ze de niet-gepubliceerde ruwe metingen van het experiment hadden opgevraagd. Frolov en Mourik willen hier tegenover NRC niet op reageren. Wel laat Frolov in een tweet weten dat hij het nieuwe, vervangende artikel op ArXiv niet beter vindt dat het oude artikel omdat het bijna exact dezelfde metingen bevat.

Niet op een paard gewed

De terugtrekking van de ontdekking betekent niet dat majorana’s niet bestaan. Hilgenkamp: „Zoals de onderzoekers zelf schrijven, is het vooral een waarschuwing dat je voorzichtig moet zijn met het claimen van een ontdekking, omdat er andere verschijnselen zijn die er erg op lijken. Er wordt daarom wereldwijd gewerkt aan andere, nauwkeurigere meetmethodes om eventueel andere verschijnselen uit te sluiten en met meer zekerheid te kunnen zeggen of er majorana’s aanwezig zijn. Ook wordt er gekeken naar andere materialen.”

„Het is een stap achteruit voor het majorana-onderzoek”, vult Ronald Hanson, hoogleraar bij QuTech, aan.

„Maar voor het nationale en wereldwijde quantumonderzoek is het geen grote tegenslag. In Nederland en wereldwijd wordt naast majorana’s een tiental andere qubit-technieken onderzocht. Het terugtrekken van het Nature-artikel betekent ook niet zoveel voor de Nationale Agenda Quantumtechnologie. Het startimpuls daarvan (23,5 miljoen euro) gaat bijvoorbeeld niet naar majorana-onderzoek, omdat het nog niet ver genoeg is om op door te ontwikkelen.” Voor de bouw van de eerste, kleine quantumcomputers wordt bijvoorbeeld uitsluitend met andere qubits gewerkt. Hanson: „De majoranaqubit is niet het enige of eerste paard waarop we nu wedden.”