Mensen als Lieven Vandersypen, hoogleraar aan de Technische Universiteit in het Nederlandse Delft, leven in een andere wereld dan de onze. Een wereld van probabiliteiten in plaats van zekerheden. Een wereld waarin deeltjes tegelijk naar boven en naar onderen om hun as kunnen draaien (en waarin een kat tegelijk dood en levend kan zijn). Een wereld met deeltjes die zo sterk met elkaar verstrengeld zijn dat ze elkaars activiteit op grote afstand beïnvloeden, en wel onmiddellijk: meet de draairichting van het ene deeltje, en op hetzelfde moment zal die van het andere deeltje ook gemeten worden - zelfs als het zich honderden kilometers ver weg bevindt. Welkom in de wondere wereld van de kwantumfysica.
...

Mensen als Lieven Vandersypen, hoogleraar aan de Technische Universiteit in het Nederlandse Delft, leven in een andere wereld dan de onze. Een wereld van probabiliteiten in plaats van zekerheden. Een wereld waarin deeltjes tegelijk naar boven en naar onderen om hun as kunnen draaien (en waarin een kat tegelijk dood en levend kan zijn). Een wereld met deeltjes die zo sterk met elkaar verstrengeld zijn dat ze elkaars activiteit op grote afstand beïnvloeden, en wel onmiddellijk: meet de draairichting van het ene deeltje, en op hetzelfde moment zal die van het andere deeltje ook gemeten worden - zelfs als het zich honderden kilometers ver weg bevindt. Welkom in de wondere wereld van de kwantumfysica. En het is niet omdat eenvoudige stervelingen als u en ik er niets van begrijpen, dat er niets nuttigs met die speciale fysica aan te vangen is. 'Als ze opgroeien, verzeilen mensen snel in een rigide denkroutine. Daardoor benaderen ze hun omgeving niet meer intuïtief', zegt Vandersypen. 'Voor een kind is het normaal dat een bal omhoog kan rollen, terwijl de meesten van ons zich spontaan tegen dat idee verzetten. Ik ben altijd geïnteresseerd geweest in minder evidente dingen. Zodra ik begrepen heb hoe iets werkt, interesseert het me niet meer. Daarom voel ik me als een vis in het water in de wereld van de kwantumfysica. Het zal nog lang duren voor we die wereld doorgrond hebben. We zijn op zoek naar een totaal nieuwe natuurkunde, die uitermate nuttige toepassingen zal opleveren.' Deze, bijvoorbeeld: dat deeltjes op lange afstand met elkaar verstrengeld zijn, kan uitmonden in systemen om informatie uit te wisselen zonder dat je ze moet versleutelen, want alleen de zender en de ontvanger zullen ze kunnen lezen. En doordat deeltjes tegelijk in verschillende toestanden kunnen voorkomen, kunnen computers op basis van kwantumprincipes veel berekeningen tegelijk uitvoeren. Enkele grote uitdagingen van de moderne natuurkunde, zoals supergeleiding bij kamertemperatuur, zullen alleen bereikbaar worden als wetenschappers erin slagen de fysica van het allerkleinste te doorgronden. Met zijn ploeg van een twintigtal onderzoekers en ingenieurs uit de hele wereld werkt Lieven Vandersypen in de frontlinie van het onderzoek naar kwantumtoepassingen, zoals kwantumcomputers. Het voorbije halfjaar publiceerde hij drie artikels in de wetenschappelijke topvakbladen Nature en Science - een succes dat weinigen gegeven is. 'Ons vakdomein heeft de wind in de zeilen', zegt hij. 'De uitgevers van die bladen voelen dat er doorbraken aankomen en staan meer open voor onze verhalen.' Het eerste van de drie recente artikels verscheen vorige zomer in Nature. Het beschreef een artificieel materiaal waarin deeltjes op kwantumniveau onderzocht kunnen worden. 'We weten zo weinig over hoe ze zich dan gedragen dat we materialen moeten bouwen om dat gedrag te simuleren', zegt Vandersypen. 'Als we bruikbare toepassingen willen bouwen op veelbelovende concepten als supergeleiding bij kamertemperatuur, moeten we eerst achterhalen hoe ze werken. Anders komen we er nooit.' Supergeleiding bij 'hoge' temperaturen (maar nog steeds ver onder de 0 °C) is in 1986 ontdekt. Tot dan was het verschijnsel alleen bekend bij temperaturen in de buurt van het absolute nulpunt (min 273 °C). Bij heel lage temperaturen verliezen sommige materialen hun weerstand tegen elektrische geleiding, wat opties biedt om superefficiënte elektrische verbindingen en motoren te maken. Maar zolang het niet bij kamertemperatuur kan, blijven veel praktische toepassingen buiten bereik. De elektronen in zo'n systeem beïnvloeden elkaar, waardoor je hun gedrag onmogelijk kunt simuleren in een gewone computer of zelfs een supercomputer. Dit is wat Vandersypen het domein van de 'veledeeltjesfysica' noemt. 'We simuleren het gedrag van deeltjes in een potentiaallandschap waarin we kwantumkuiltjes (in het jargon: quantum dots) introduceren', legt Vandersypen uit. 'Je mag je die kuiltjes niet als putjes voorstellen, wel als plekjes die elektronen aantrekken. Ze kunnen niet met twee in hetzelfde kuiltje - dan stoten ze elkaar af. Daartoe hebben we een materiaal gemaakt dat bestaat uit verschillende lagen van halfgeleiders, zoals silicium en galliumarsenide, waarin elektronen bewegen. Daarbovenop hebben we fijne metaallijntjes getrokken. Als je daar een positieve spanning op zet, kun je er elektronen mee aantrekken. Met een negatieve spanning stoot je ze af. Via dat potentiaallandschap kunnen we op een snelle en bruikbare manier simuleren wat er in een echt kwantumlandschap gebeurt. Dat is wereldwijd een grote doorbraak.' Toch vindt Vandersypen die doorbraak in de eerste plaats een 'basis om op voort te bouwen'. Zijn team zit nog niet verder dan een systeem met een paar kwantumkuiltjes waarin twaalf elektronen circuleren. Waartoe zijn onderzoek zal leiden, weet hij niet. Hij heeft een paar pistes in gedachten, maar weidt daar liever niet over uit. 'Ik zit al lang genoeg in dit vak om door te hebben dat je zelden vindt waar je naar zoekt. Je probeert iets - en plots gebeurt er iets wat je totaal niet verwachtte. Ik heb er tamelijk veel vertrouwen in dat het ook nu zal gebeuren. We hebben in Nature een proof of concept geleverd dat het kan, en daar werken we volop op door.' Zijn er concurrenten in dit bijzondere vakgebied? Vandersypen: 'Uiteraard. Na de publicatie van dat eerste artikel merkte ik dat andere groepen met verhoogde aandacht met hetzelfde idee begonnen te spelen. Ik hou van concurrentie. Het houdt ons scherp. Voor de publicatie van onze tweede belangrijke paper, begin maart in Science, hadden we rechtstreekse concurrentie, die we net te snel af waren.' In dat tweede artikel beschrijven Vandersypen en zijn team hoe ze elektronen in kwantumkuiltjes via licht met elkaar in verbinding willen brengen. Dat is belangrijk om grootschalige en snelle rekenacties mogelijk te maken - licht staat garant voor snelle verbindingen. Lieven Vandersypen: 'Voor we aan werkende kwantumcomputers kunnen denken, is een van de vragen: hoeveel kwantumkuiltjes kunnen we naast elkaar op een computerchip krijgen? Het antwoord op die vraag bepaalt hoeveel rekeneenheden - we noemen die kwantumbits of qubits - er naast elkaar op zo'n chip kunnen. Dat kunnen er 16 zijn, maar evengoed 1024. We moeten in ieder geval in staat zijn speciale verbindingen te maken tussen qubits die níét naast elkaar liggen. Daarvoor gebruiken we lichtdeeltjes van microgolflicht. Dat opereert op lagere frequenties dan gewoon licht, wat beter is voor onze systemen. Via de overdracht van energie kunnen we qubits en lichtdeeltjes met elkaar laten praten.' De informatie in qubits wordt opgeslagen in functie van de draairichting van een elektron: naar boven ( up) of naar onderen ( down) - de equivalenten van de nullen en enen uit de klassieke computerprogrammatie, die staan voor de stand van schakelaars op een transistor. De up-spin van een elektron geeft een ander energiesignaal aan een lichtdeeltje dan de down-spin. 'Nu zitten we midden in de volgende race', vertelt Vandersypen, die dat merkbaar een goede zaak vindt. 'We moeten meer onderdelen tegelijk laten werken. Daartoe moeten we zo zuiver mogelijke structuurtjes fabriceren in hermetisch afgesloten cleanrooms. Die structuurtjes moeten we dan door middel van meetdraden met elkaar verbinden. Of dat knutselwerk is? Eigenlijk wel, maar dan hoogtechnologisch en op het mininiveau dat wij nodig hebben. Alleen zo kunnen we onze concepten in iets concreets omzetten.' Eind maart verscheen in Nature de derde paper, die een soort van minikwantumcomputertje beschreef. 'Het is de eerste keer dat we een kwantumberekening konden uitvoeren op een klassieke halfgeleiderchip gemaakt van silicium', legt Vandersypen uit. 'Dat we op halfgeleiders kunnen terugvallen, maakt het werk een stuk gemakkelijker: met dat materiaal uit de klassieke computerindustrie hebben we veel ervaring. Voor mijn doctoraat heb ik een kwantumalgoritme uitgerold om het getal 15 op te splitsen in de priemgetallen 3 en 5. Dat klinkt belachelijk eenvoudig, maar het duurde jaren. Er was een chemisch huzarenstukje voor nodig waarmee we 7 qubits konden maken. Wetenschappers moesten daartoe een uiterst complexe molecule ontwikkelen. De complexiteit beperkte de mogelijkheden om die piste uit te bouwen. We moesten naar iets praktisch overschakelen.' Dat zou bijna vijftien jaar in beslag nemen. 'Had ik op voorhand geweten dat het zo lang zou duren, dan was ik er misschien niet aan begonnen', geeft Vandersypen lachend toe. 'Maar we hebben onderweg veel geleerd, zoals hoe we de spin van een elektron kunnen meten. Dat is cruciaal als je ze als informatie-eenheid wilt gebruiken.' In de Nature-paper ging het om 2 qubits. Vandersypen: 'Daarmee kunnen we niet veel doen, maar het systeem heeft de potentie om snel uit te breiden. We hebben aangetoond dat we het goed in de hand hebben: we kunnen het programmeren en er reeksen berekeningen mee uitvoeren. We hebben er twee algoritmen op losgelaten. Het eerste was het equivalent van "tegelijk naar beide kanten van een muntstuk kijken, om te zien of het geen vals muntstuk is". Dat is meer dan een verdubbeling van de evaluatiesnelheid: mensen moeten eerst naar de ene kant kijken, dan naar de andere. ' 'Het andere algoritme was een equivalent van "zoeken naar een speld in een piepkleine hooiberg": een zoeklijstje van vier elementen, voorgesteld door 2 qubits. Het aantal elementen of toestanden in zo'n systeem gaat exponentieel omhoog met het aantal qubits. In principe zal ons werk almaar gemakkelijker worden. Als dat niet zo is, zijn we niet goed bezig.' Nu sleutelen Vandersypen en zijn ploeg al aan 5 qubits op een rijtje, wat 32 toestanden om met algoritmes te werken oplevert. Het gaat vooruit! Toch verwacht hij dat het nog minstens tien jaar zal duren voor er een bruikbare kwantumcomputer is - 'en zelfs dat is koffiedik kijken'. De eigenschappen van moleculen en materialen analyseren: dat zullen de eerste projecten met de eerste kwantumcomputers zijn. Die eigenschappen zijn meestal zo complex dat gewone computers ze niet in kaart kunnen brengen. Enkele jaren geleden is Intel geïnteresseerd geraakt in Vandersypens werk. De successen die de ingenieur de jongste maanden boekt, zijn daar niet vreemd aan. De Amerikaanse chipproducent pompt niet alleen 50 miljoen euro in het onderzoek, over een periode van tien jaar, hij brengt ook mensen en technische knowhow in. 'We laten onze stalen nu fabriceren in hun cleanrooms, die een stuk geavanceerder zijn dan de onze. De zuiverheid van wat ze maken, kan de snelheid bepalen waarmee wij een volgende stap zetten.' Een belangrijk probleem is dat qubits, volgens Vandersypen, een 'persoonlijkheid' hebben. 'Ze zijn allemaal een beetje anders. Dat is niet handig als je ze op grote schaal wilt laten samenwerken. Om ze op dezelfde lijn te krijgen, moeten we ze constant bijstellen. Dat kan tijdsintensief zijn. We hopen dat de producten die Intel aflevert, veel uniformer van kwaliteit zijn. Ook als we onze chips later naar industriële eenheden moeten opschalen, zullen we niet zonder de inbreng van de industrie kunnen. Universitair toponderzoek en industriële knowhow kunnen samen tot een doorbraak leiden. Ik meen ook dat we de kwantumwereld pas écht zullen kunnen uitdiepen als we - eindelijk - over kwantumcomputers beschikken. Zonder de gepaste technologie zal de kwantumfysica een mysterie voor ons blijven. En zouden we een heleboel kansen missen om de mogelijkheden en het comfort van de mens te vergroten.'