Qubit, de chip van de quantumcomputer in wording

 
De quantumcomputer is nog science fiction. Het concept spreekt echter tot de verbeelding. Quantumcomputers zullen voor bepaalde rekenklussen vele malen sneller zijn dan de snelste computers die met de bestaande chiptechnologie gemaakt kunnen worden. Ze maken gebruik van één van die effecten uit de quantummechanica die in het alledaagse leven zo onbegrijpelijk zijn: een en hetzelfde deeltje kan op twee plaatsen tegelijk zijn. Een variant hierop is het feit dat volgens de quantummechanica een deeltje zich tegelijk kan gedragen als deeltje én als golf. Nog weer een andere variant wordt door de onderzoekers in Delft nu gebruikt: een elektrische stroom die tegelijkertijd twee verschillende kanten uit kan stromen. "Als je aan het alledaagse leven denkt, is dit niet te begrijpen. Je lezers moeten dit maar gewoon aannemen; het klopt echt," verzekert Van der Wal. Het verschijnsel heet in de quantummechanica superpositie en het is de basis onder alle soorten quantumcomputers die onderzoekers zich op dit moment voorstellen. De superpositie draagt de informatie. Een deeltje kan dus tegelijkertijd nul of één zijn, als je wil denken in termen van binair schakelen of het opslaan van informatie in computers.

De kat van Schrödinger
De quantummechanica geldt in de wereld van het atoom. In onze dagelijkse wereld merken we niet direct iets van de quantummechanica, al zijn bijvoorbeeld wel de laser en de computerchip op de quantummechanica gebaseerd. De quantummechanica ontstond aan het begin van de twintigste eeuw, toen steeds beter wordende metingen aan atomen en de pas ontdekte elektronen leidden tot uitkomsten die met de bestaande natuurkunde niet te begrijpen waren. Er werden nieuwe theorieën ontwikkeld die uiteindelijk uitmondden in de quantummechanica. Die blijkt in de wereld van het kleine erg goed te werken, maar wel tot uitspraken te leiden die in onze gewone (natuurkundigen zeggen dan macroscopische) wereld volkomen tegen elk gevoel voor logica ingaan. Einstein riep al eens uit dat God niet dobbelt (de quantummechanica beschrijft het gedrag van deeltjes in termen van waarschijnlijkheid). De Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger publiceerde in 1935 een beroemd geworden gedachtenexperiment om het absurde concept uit de quantummechanica dat een deeltje tegelijk twee gedaanten aan kan nemen, aan de kaak te stellen.
Stel je een kat voor, schreef hij, die in een afgesloten doos zit. In die doos zit één radioactief atoom en een dun glazen vaatje met het dodelijke blauwzuur. Dat radioactieve atoom zal, geheel volgens de kansberekening, op een gegeven moment uit elkaar vallen. Daarbij schiet een kerndeeltje weg. Dat treft het vaatje en slaat het stuk, het blauwzuur komt vrij en de kat legt het loodje. Zolang we de doos niet openmaken, schreef Schrödinger, weten we niet of de kat nog leeft of al dood is. In de terminologie van de quantummechanica verkeert hij dan in twee toestanden: hij is zowel levend als dood. We kunnen namelijk onmogelijk bewijzen dat één van de twee toestanden ongeldig is. Toch weten we, zei Schrödinger, dat een kat nooit levend en dood tegelijk kan zijn. Als we de doos open doen, is de kat of dood of levend. Met andere woorden, de quantummechanica werkt in de macroscopische wereld niet, maar waarom niet?

Heel voorzichtig kijken
In de experimenten die nu in Delft worden gedaan, is hiervoor een uitweg gevonden. De onderzoekers hebben een manier gevonden om heel voorzichtig in die doos te kijken en wat zien ze? De kat kan werkelijk dood én levend tegelijk zijn! De onderzoekers kijken niet echt naar een kat, maar naar een kleine open rechthoekige structuur van aluminium; die meet 0,005 bij 0,005 millimeter. Door het midden van deze 'ring' past net een mensenhaar. Ze koelen de ring af tot 0,035 graden boven het absolute nulpunt. Bij die extreem lage temperatuur wordt het aluminium supergeleidend. Vervolgens brengen ze een klein magneetveld in de ring aan. Daardoor gaan de miljarden elektronen die in de ring zitten óf linksom óf rechtsom draaien. Omdat het materiaal supergeleidend is, gedragen de elektronen zich alsof ze met z'n allen één groot geheel vormen. Dat geheel is voor quantummechanische begrippen zo groot dat het macroscopisch genoemd mag worden (het is een heel klein katje geworden). Volgens de quantummechanica is het nu mogelijk dat alle elektronen in de ring tegelijk de ene kant omlopen én de andere kant.

In twee putjes
Het bijzondere van de experimenten in Delft is nu dat Van der Wal en zijn collega's daadwerkelijk kunnen meten dat dit echt gebeurt. Ze brengen de ring in een heel zwak magneetveld dat ze heel precies kunnen instellen en veranderen. Bij een bepaalde waarde van het magneetveld stromen de elektronen de ene kant uit, bij een andere waarde de andere kant en bij een waarde daartussenin doet zich het gezochte quantumeffect voor.
Het doet een beetje denken aan een kuil in het zand met twee naast elkaar liggende putjes in het midden. We rollen één knikker de kuil in. Die knikker bestaat uit miljarden deeltjes en is voor natuurkundigen daarom een macroscopisch object. De knikker komt meestal terecht in het diepste putje. Als we dat putje nu ondieper maken en het andere dieper, dan rolt de knikker over van het ene putje naar het andere. Wanneer de putjes bijna even diep zijn en de knikker zich quantummechanisch gedraagt, kan hij voortdurend dwars door het zand tussen de twee putjes heen bewegen en zo in beide putjes tegelijk zijn. Dat verschijnsel staat bekend als tunnelen. Dat dieper en minder diep maken van de putjes is in wezen wat het magneetveld voor de elektronen in de ring doet. In het ene putje bewegen ze de ene kant om, in het andere putje de andere kant. Rondom een heel bepaalde waarde van het magneetveld zijn de putjes ongeveer even diep en kunnen alle elektronen in beide putjes tegelijk zitten. De elektrische stroom loopt dan in twee richtingen tegelijk.

Quantumtoestanden niet vernietigen
Een volgend bijzonder aspect van de experimenten in Delft is dat de richting van de stroom gemeten kan worden. Dat is zo bijzonder omdat de quantummechanica stelt dat zodra je aan een quantumsysteem meet, er altijd maar één quantumtoestand overblijft. Daarom zie je de kat van Schrödinger of dood of levend, zodra je de doos opendoet. Met andere woorden, door te gaan meten vernietig je het unieke van het quantumsysteem. Voor een quantumcomputer is het echter essentieel dat het systeem intact blijft. "Wij hebben dat bereikt door heel voorzichtig maar wel heel vaak te meten," zegt Van der Wal. "We hebben een uiterst gevoelige microgolfmeter gebouwd, die wel 10.000 keer per seconde en als het moet een uur lang aan de ring meet." De microgolfmeter registreert de veranderingen in het magneetveld boven de ring die worden veroorzaakt door de stroom die door de ring loopt. Er is een kleine marge in de sterkte van het magneetveld waarbinnen de stroom in beide richtingen kan lopen. Als je binnen die marge het magneetveld heel precies aftast, zie je een omslag in het magneetveld wanneer je de stroom in de tegenovergestelde richting treft. Door te zorgen dat de stroom heel erg klein is en de veranderingen in het magneetveld dus ook, stoot je het systeem niet uit evenwicht. De kunst was dus om een uiterst zwak magneetsignaal te kunnen meten. Daarom moet er zo vaak gemeten worden. De uitkomsten zijn overtuigend: er loopt echt gelijktijdig stroom in tegengestelde richtingen door de ring. De metingen vereisen de beschikbaarheid van een uitermate stabiel magneetveld en inzicht op de invloed van microgolven op quantumsystemen. "Wat dat inzicht betreft hebben we veel profijt gehad van onze samenwerking met de groep van Jan Schmidt in Leiden," zegt Mooij. Daar heeft men veel kennis van en ervaring met magnetische resonantie en dat is het soort deskundigheid waar men in Delft veel behoefte aan had.

Een volgende stap in het onderzoek wordt het meten van ook andere fundamentele effecten dan alleen de superpositie. "We willen natuurlijk zeker weten dat we echt quantummechanisch gedrag hebben. Dergelijke metingen gaan we de komende weken doen. We hebben daarom pas een eerste experiment gedaan aan een structuur die model staat voor een qubit," zegt Mooij.

Op weg naar een quantumcomputer
De stroom in een quantumbit kan dus tegelijkertijd twee kanten op stromen. In een computer met zulke elementen, een quantumcomputer, kunnen alle bits tegelijk 0 en 1 zijn. Als je die elementen aan elkaar kunt koppelen, groeit de toename in capaciteit exponentieel met het aantal gebruikte bits (voor N bits dus als 2 tot de macht N, niet N kwadraat). Daardoor is de toename in rekensnelheid echt enorm. Een quantumcomputer kan namelijk ook tegelijk heel grote getallen bevatten die in verscheidene bits opgeslagen liggen. Met aan elkaar gekoppelde quantumbits in superpositie zit je al snel aan een capaciteit die je nu alleen met de grootste computers haalt. Duizend of tienduizend quantumbits winnen het van elke andere computer. Rekenwerk waarbij een klassieke computer heel vaak dezelfde bewerking op steeds een ander getal moet doen, kan daarom in een quantumcomputer voor al deze getallen in één slag tegelijk worden gedaan.

"Het aantrekkelijke van de structuur die we bedacht hebben, is dat je hier waarschijnlijk gemakkelijk naar meer systemen kan gaan," zegt Van der Wal. Om te illustreren hoe zoiets er in de praktijk uitziet laat hij een animatie van een groot aantal gekoppelde rechthoekjes zien.

"Als je een quantumcomputer wilt bouwen, moeten de bouwstenen natuurlijk in hun quantumtoestanden blijven. Daarom moet je ze grondig isoleren, ontkoppelen van hun omgeving," zegt Van der Wal. Dat kan goed wanneer het systeem supergeleidend is. Een ander aspect is dat de materialen in de directe omgeving van de bouwstenen geen storende invloed mogen uitoefenen. Dat doe je door de bouwstenen zelf en hun omgeving extreem af te koelen. Verder moet je de bouwstenen afschermen van bijvoorbeeld magneetvelden en straling; uit de omgeving. De straling kan worden geweerd door de bouwsteen te verpakken in koper. Magneetvelden worden afgeschermd met supergeleidende schilden. Zo zijn er tal van eisen waaraan je moet voldoen wil je je quantumtoestanden bewaren. Mooij voorziet hier in de toekomst een geweldige technologische onderneming om dit allemaal heel precies uit te zoeken en te realiseren. Pratend over wanneer er een quantumcomputer zou kunnen zijn op basis van qubits à la wat nu in Delft bestudeerd wordt, trekt Mooij een vergelijking met de magnetische resonantie. "De techniek achter de magnetische scanners, de MRI's, die nu in veel ziekenhuizen tot de standaard voorzieningen horen, lijkt heel sterk op wat je voor quantumcomputers nodig zult hebben. Als je bedenkt dat de magnetische kernresonantie, die de basis voor de MRI vormt, in 1946 werd ontdekt en pas in 1981 zijn intrede in het ziekenhuis deed, dan zie je hoe lang de weg is voor dit soort ontwikkelingen. Ik denk dat we op zijn vroegst over een jaar of tien alles wat voor de quantumcomputer nodig is goed begrijpen. Er zal dan ook nog wel een jaar of tien nodig zijn voor de verdere technologische ontwikkeling." Zullen we ooit een quantumcomputer op ons bureau krijgen? Mooij: "Ik denk bij toepassingen toch vooral aan dedicated computers, machines voor zeer speciale taken, zoals parallel rekenen en grote zoekopdrachten." Van der Wal knikt, maar niet helemaal instemmend. "Je weet toch maar nooit..."

Meer informatie: ir. Caspar van der Wal of prof.dr.ir. Hans Mooij, telefoon (015) 278 63 24.