Waarom Microsoft vol inzet op een kwantumcomputerlab in Nederland
Vandaag opent de Nederlandse koning Willem-Alexander in Delft het gloednieuwe Microsoft Quantum Lab. Daar werkt de Nederlandse natuurkundige Leo Kouwenhoven met Amerikaanse miljoenen aan de computer van de toekomst. Wereldwijd kijken natuurkundigen en CEO’s van techreuzen gespannen toe. “Als het werkt, zal deze kwantumcomputer de concurrentie wegvagen.”
“Wat vind je van m’n nieuwe kamer”, vraagt kwantumcomputerbouwer, hoogleraar en Microsoft Quantum Lab-directeur Leo Kouwenhoven terwijl hij op de bank in zijn nieuwe kantoor plaatsneemt. “Een bank, kussens, het kan niet op”, lacht hij.
Wie door het grauwe Technische Natuurkunde-gebouw van de TU Delft richting het nieuwe kwantumlab wandelt, ziet dat de nieuwe Microsoft-vleugel naar academische maatstaven inderdaad aardig luxe is.
Zodra je met je pasje – de vleugel is verboden toegang voor onbevoegden – voorbij de deur komt, verruil je grijze bakstenen en versleten zeil voor de frisse uitstraling van een modern bedrijfspand: keurig tapijt, een verse laag verf, nieuwe bureaustoelen en een hippe koffiecorner. Op de gang tref je glazen stiltehokjes waar je rustig kunt skypen en in de pauzeruimte – “onze woonkamer”, zegt een medewerker – komt binnenkort een spelcomputer. Geen playstation van Sony natuurlijk, maar een Xbox van werkgever Microsoft.
In deze omgeving bouwen Kouwenhoven en collega’s aan een nieuw soort kwantumcomputer, de computer van de toekomst die de rekenkracht van uw laptop of mobiele telefoon moet doen verbleken tot dat van een primitief telraam. Een kwantumcomputer bovendien die gebaseerd is op ‘zijn’ majorana, een deeltje dat Kouwenhoven in 2012 voor het eerst bouwde in zijn lab. Kouwenhovens majorana bleek op papier al snel bijzonder geschikt voor de bouw van zo’n kwantumcomputer.
Absolute nulpunt
Hier in het belangrijkste deel van het kwantumlab – het wetenschappelijk laboratorium zelf – moet de revolutie gaan beginnen. Er staan vijf manshoge koelkasten, waarvan drie al aanstaan. Daar wijst het kwik zo’n 273 graden onder nul aan, slechts een fractie boven het absolute temperatuursnulpunt. Die extreme temperaturen zijn nodig omdat alle kwantum-bits ofwel qubits, ook Kouwenhovens majorana-deeltjes, hun opmerkelijke gedrag alleen vertonen bij zeer lage temperatuur.
Wat de kwantumcomputer zo bijzonder maakt, is dat hij niet rekent met traditionele bits, de nullen en enen waar computers hun informatie in opslaan. In plaats daarvan rekent hij met qubits, die vanwege de tegendraadse eigenschappen van de kwantumfysica niet louter 0 óf 1 kunnen zijn, maar ook 0 én 1. Tegelijk. En dan kunnen qubits ook nog eens ‘verstrengelen’, een spookachtige verbintenis waardoor een berekening op één qubit instantaan invloed heeft op alle qubits waarmee hij verstrengeld is. Door die radicaal nieuwe manier van rekenen kan de kwantumcomputer talloze sommen tegelijk maken - sommen die een klassieke computer één voor één zou moeten uitrekenen.
Dat opent de deur naar een verhoging van rekensnelheid die zijn weerga niet kent. Hoewel geavanceerde kwantumalgoritmen en computerprogramma’s nog ontwikkeld moeten worden, zijn de verwachtingen hooggespannen. Kenners denken dat kwantumcomputers in de toekomst bijvoorbeeld nieuwe medicijnen kunnen ontwerpen doordat ze tegelijk talloze mogelijke vormen van de moleculen van die medicijnen kunnen simuleren. Dat ze wondermaterialen kunnen ontwikkelen die ons energieprobleem kunnen oplossen, doordat wetenschappers alle opties simultaan kunnen uitproberen in een simulatie. Ze kunnen mogelijk zelfs tot in detail de binnenkant van een mensenlichaam simuleren, zodat je medische behandelingen eerst virtueel kunt uitproberen voordat je ze in het echt doet.
Warmtetrilling
Het lastige is alleen dat qubits de onhebbelijke eigenschap hebben om hun magische kwantumeigenschappen te verliezen wanneer ze met de buitenwereld in aanraking komen. De kleinste verstoring of warmtetrilling kan al voldoende zijn. Vandaar dat elk kwantumcomputerlab, ook het nieuwe van Microsoft, volstaat met grote koelkasten waarin de qubits zonder verstoring kunnen rekenen.
Terwijl bedrijven als Google en IBM de eerste qubits aan elkaar knopen tot rudimentaire kwantumcomputers, bestaat de majorana-computer van Kouwenhoven nog slechts op papier. Maar op dat papier is hij wel meteen een stuk beter dan de concurrentie, zegt Kouwenhoven. “Een kwantumcomputer die mensen echt kunnen gebruiken is stabiel, goed beschermd tegen de invloed van de buitenwereld en maakt weinig rekenfouten”, zegt hij. En die stabiliteit is nu juist dé belangrijkste eigenschap van zijn majorana’s.
Voor elke qubit bestaat een limiet die beschrijft hoe lang het deeltje zijn kwantumeigenschappen kan bewaren, voordat fouten in de berekeningen opduiken die de uitkomsten onbetrouwbaar maken. De vervaltijd, noemen fysici dat ook wel. Die tijd is voor majorana-qubits in potentie tienduizend keer langer dan die van de qubits waar de meeste anderen aan sleutelen.
“Als het majorana-qubit inderdaad een veel langere vervaltijd blijkt te hebben, dan zal deze kwantumcomputer de concurrentie wegvagen”, zegt theoretisch natuurkundige Carlo Beenakker (Universiteit Leiden), zelf niet bij het Microsoft Quantum Lab betrokken.
Reikhalzend
Dat denkt zelfs de concurrentie. “De aanpak met een majorana-qubit is heel interessant omdat die qubits in theorie zo weinig fouten maken”, zegt John Martinis (Universiteit van Santa Barbara), die voor Google aan de kwantumcomputer werkt. Volgens hem kijkt de hele kwantumcomputergemeenschap reikhalzend uit naar de eerste experimenten met die qubits. “Pas na de eerste resultaten weten we zeker of de verwachtingen realistisch zijn.” Zelf gaat Google daarom voorlopig verder op de ingeslagen weg, met hun huidige qubits.
Kouwenhoven verwacht in zijn nieuwe laboratorium binnen een jaar te kunnen laten zien dat zijn majorana’s inderdaad het gehoopte gedrag vertonen.
Terwijl concurrenten als Google en IBM in de race om de kwantumcomputer nu nog aan kop liggen en dit jaar naar verwachting zelfs kwantum supremacy gaan behalen – het moment waarop een kwantumcomputer aantoonbaar sneller rekent dan een klassieke variant – verwacht Kouwenhoven dat hij zijn concurrentie uiteindelijk te slim af zal zijn. Maar zoals altijd in de wetenschap, kan een kleine tegenvaller alsnog roet in het eten gooien. De race om de kwantumcomputer ligt nog volkomen open.
Dit maakt de Nederlandse Microsoftcomputer zo robuust
De majorana’s die Leo Kouwenhoven in 2012 voor het eerst in zijn lab bouwde, dienen vanwege hun opmerkelijke stabiliteit straks als basisbouwsteen voor Microsofts toekomstige kwantumcomputer. Die stabiliteit hebben ze omdat ze iets bijzonders doen met de nullen en enen van informatie. Op majorana’s zijn de ‘1’ en de ‘0’ namelijk fysiek van elkaar gescheiden. Ze vloeien daardoor nooit per ongeluk in elkaar over, als een magneet waarvan je de noord- en zuidpool zover uit elkaar trekt dat ze elkaar niet langer kunnen aantrekken. “Hoe verder je de twee delen van de qubit uit elkaar haalt, hoe stabieler deze wordt”, zegt Kouwenhoven. “In theorie kan een kwantumcomputer daardoor zelfs oneindig stabiel worden.”
Nadat Kouwenhoven bewezen heeft dat zijn majorana’s het gedrag vertonen waarop hij hoopt, wil hij de delen van zijn qubits daarom verder uit elkaar gaan halen, en ze op die manier stabieler maken. Op de huidige qubits zitten de ‘1’ en ‘0’ twee à drie micrometer uit elkaar – minder dan de dikte van een menselijke haar. Kouwenhoven: “Dat willen we vergroten tot tien micrometer. Dat is genoeg om de stabiliteit te halen die nodig is om een grote kwantumcomputer te kunnen bouwen.” Als dat lukt, stappen we volgens Kouwenhoven een heel nieuw kwantumcomputertijdperk binnen. “Een tijdperk waarin we eindelijk écht stabiele computers kunnen maken.”