Het beste van Nederland: de kwantumcomputer

Op de allerkleinste schaal tart de natuur de logica. Dingen die voor ons totaal onmogelijk lijken, kunnen wél volgens de wetten van de kwantummechanica. Neem bijvoorbeeld superpositie. Dit is een staat waarin een deeltje in twee toestanden tegelijk verkeert: het draait links- én rechtsom, zit boven én onder. Net zo bizar is verstrengeling. Twee verstrengelde deeltjes, teleporteren informatie naar de andere kant van het heelal als het moet. Zonder dat dit tijd kost. Als je van de een vaststelt dat die linksom draait, weet je direct dat de ander rechtsom draait.

Wereldschokkend

Dit alles is zo exotisch dat zelfs Albert Einstein, een van de grondleggers van de kwantummechanica, de consequenties van zijn eigen theorie niet kon aanvaarden. Hij noemde het “spooky action at a distance”. Toch zijn Einsteins voorspellingen inmiddels experimenteel aangetoond. Zo toonden wetenschappers van de TU Delft in 2015 kwantumverstrengeling tussen twee elektronen op een afstand van 1,28 kilometer aan. Vandaag de dag zijn wetenschappers zover dat ze werken aan de praktische toepassing kwantumverschijnselen met als ultieme doel de kwantumcomputer.

Een gewone computer werkt met bits. Dit zijn schakelaartjes die aan of uit staan, die één of nul zijn. Kwantumcomputers werken met qubits die tegelijkertijd één én nul kunnen zijn. Dit lijkt een subtiel verschil, maar het is wereldschokkend. Leo Kouwenhoven, pionier in het gebied, stelde in een college bij de Universiteit van Nederland dat de stap van de computer naar de kwantumcomputer net zo groot is als die van het telraam naar de computer.

Alles tegelijk

Door gebruik te maken van superpositie en verstrengeling, kan een kwantumcomputer berekeningen aan die voor een computer onoplosbaar zijn. Als je een computer vraagt de weg uit een doolhof te vinden of een wachtwoord te kraken, gaat die alle mogelijkheden één voor één af tot de juiste gevonden is. Een kwantumcomputer kan alle mogelijkheden tegelijkertijd uitproberen. Zo kraakt een kwantumcomputer een wachtwoord dat voor de huidige computers niet te kraken is in een mum van tijd. Bovendien zijn kwantumcomputers veel kleiner. Je verdubbelt de rekencapaciteit van een computer door het aantal bits te verdubbelen. Bij een kwantumcomputer volstaat de toevoeging van een extra qubit.

Hoewel de kans bestaat dat het niet lukt, is de race naar de eerste kwantumcomputer in volle gang. Bedrijven als Google en Microsoft investeren stevig. Microsoft opende begin dit jaar het experimentele onderzoekslaboratorium Station Q in Delft met aan het hoofd Leo Kouwenhoven. Na dertig jaar dienst bij de TU Delft vervolgt hij zijn queeste bij het Amerikaanse softwarebedrijf.

Problemen oplossen

De uitdaging waar Kouwenhoven bij Station Q en zijn oud-collega Lieven Vandersypen aan het instituut QTech in Delft aan werken, is steeds meer qubits aan elkaar schakelen. Op dit moment bestaan de computers uit een handvol qubits en de rekenkracht is veel minder dan die van een telefoon. In de komende jaren zal dat aantal steeds groter worden. Tegelijkertijd wordt de benodigde software ontwikkeld. Volgens Vandersypen is een aantal van 50 verstrengelde qubits al voldoende om de rekenkracht van een supercomputer te evenaren.

De kwantumcomputer gaat de hedendaagse computer niet vervangen. De machine zal op afstand computers helpen met ingewikkelde berekeningen. Verloopt de communicatie via teleportatie, dan kan dit volkomen veilig en zonder een spoor na te laten. Kouwenhoven verwacht dat de kwantumcomputer problemen op het gebied van klimaat, energie, gezondheidszorg en materialen zal helpen oplossen. Tenminste, áls de machine er komt.

Dit artikel is verzorgd door de wetenschapsredactie van De Kennis van Nu (NTR).

NPO Radio 1 houdt je dagelijks op de hoogte over de laatste ontwikkelingen in de wetenschap

Maandag t/m vrijdag rond 16.20 uur in Nieuws en Co
Dinsdag rond 10.50 uur in De Ochtend