De supercomputer van de toekomst staat in een extreem koude diepvries en is te gevoelig voor storingen om via het stopcontact gevoed te worden. Onder deze extreme omstandigheden moet een kwantumcomputer echter wel kunstjes kunnen uitvoeren die nu onmogelijk zijn.
Delen
Kleine aluminium ringetjes kunnen de basisstenen worden voor een nieuw type computer, denken natuurkundigen uit Delft en van het Amerikaanse MIT. Elektronen in een ijskoud aluminium ringetje kunnen zich namelijk samen als één kwantumdeeltje gedragen, stelden de onderzoekers afgelopen vrijdag in Science. Zo’n kwantumdeeltje kan verschillende verschijningsvormen tegelijkertijd hebben. Hierdoor moet een beperkt aantal ringetjes veel informatie tegelijk kunnen opslaan.
Kwantumcomputers met zulke ringetjes moeten speciale berekeningen kunnen uitvoeren die met de huidige computers langer duren dan de levensduur van het heelal. ,,Je kunt er alle huidige bankcodes mee kraken, omdat een kwantumcomputer snel grote getallen in priemgetallen kan ontbinden”, aldus ir. Caspar van der Wal, promovendus bij de TU-onderzoeksgroep Quantumtransport.
Zoeken in een database met bijvoorbeeld een miljoen ongeordende kaartjes moet ook sneller kunnen met een kwantumcomputer. De rekentijd is terug te brengen van een uur naar een paar seconden.
Zijn er nog meer toepassingen? ,,Er zijn nog maar een beperkt aantal problemen bekend waar een kwantumcomputer nuttig voor kan zijn. De afgelopen drie jaar is het verdacht stil op dat terrein”, zegt Van der Wal. ,,Maar wie had vijftig jaar geleden gedacht dat onze huidige computers zoveel zouden worden toegepast?”
Perfecte harmonie
De maffia hoeft de jacht op de kwantumcomputer de komende tien jaar in ieder geval nog niet te openen. Voorlopig hebben onderzoekers slechts de eerste stapjes gezet richting een kwantumcomputer. Ze bestudeerden alleen de eigenschappen van een enkel ringetje.
Het onderzochte aluminium ringetje is vierhonderd keer zo klein als een menselijke haar en als je het extreem afkoelt, bijna tot het absolute nulpunt, wordt het aluminium supergeleidend. Breng je zo’n koude ring in een zwak magneetveld, dan gaan er miljarden gepaarde elektronen in rondstromen zonder weerstand te ondervinden en in perfecte harmonie. Door de lage temperatuur kunnen de elektronen namelijk niet genoeg energie uit de omgeving opnemen om uit de band te springen.
Zo’n veertig miljard elektronen gedragen zich dan als één kwantummechanisch deeltje. En in de kwantumwereld gelden andere wetten dan in de voor ons waarneembare wereld. Een deeltje is daar niet per se op één plaats gelokaliseerd, maar kan uitgesmeerd zijn als een golf. In de kwantumwereld kan een pak hagelslag zich bijvoorbeeld uitsmeren over twee keukenkastjes tegelijk.
De supergeleidende elektronen in het ringetje kunnen linksom of rechtsom bewegen, afhankelijk van de stand het magneetveld waarin ze zich bevinden. Door de kwantumeffecten kan de elektronenmassa, die zich manifesteert als een golf, echter ook tegelijk beide kanten op gaan.
,,Ieder normaal mens kan zich daar niets meer bij voorstellen. Het betekent namelijk niet dat de helft van de elektronen de ene kant op draait en de andere helft de andere kant, maar alle supergeleidende elektronen gaan allemaal echt beide kanten tegelijk op”, stelt Van der Wal. Het eindresultaat, de kwantumsuperpositie, is te vergelijken met de manier waarop allerlei geluidsgolven van kletsende mensen op een druk feestje samen één geluidsgolf vormen die je oren ingaat.
Zonnebril
Deze kwantumsuperpositie is extreem gevoelig voor ruis. Door de minste of geringste verstoring verdwijnt deze toestand waarin de elektronen tegelijkertijd zowel rechtsom als linksom bewegen en gedraagt het systeem zich weer volgens de wetten van de huis-, tuin- en keukenwereld. ,,We meten het liefst ’s nachts of in het weekend als erweinig verkeer over de Mekelweg gaat en geen mensen met mobiele telefoons op de gang langskomen”, zegt ir. Alexander ter Haar. Hij was eerst als afstudeerder en is nu als promovendus bij het onderzoek betrokken.
Het experiment is ook uiterst gevoelig voor superkleine schommelingen in de temperatuur. Om de temperatuur zo laag te krijgen is een meer dan twee meter lange buis nodig, die wordt gekoeld met vloeibaar helium. Metingen bleken alleen mogelijk bij 30 milligraden boven het absolute nulpunt (-273 graden Celsius). Tijdens de meting mocht de temperatuur niet meer dan 0,05 milligraden variëren. ,,We kwamen er pas tijdens de metingen achter dat het zo nauw luistert”, aldus Ter Haar. ,,In totaal hebben we drie maanden om de koeler heen geleefd om alles te optimaliseren.”
Om de kwantumeffecten niet te verstoren is het stopcontact uit den boze. Alle apparatuur wordt via batterijen van voeding voorzien. De meetinstrumentjes in de koeler hebben ook geen direct contact met een pc. Tussen de experimentele opstelling en de pc, die het geheel aanstuurt en de data ontvangt, zit een kast die elektrische signalen omzet in optische. Zo wordt de experimentele opstelling met optische signalen aangestuurd.
Het meten zelf verstoort volgens de theorie ook de kwantumeffecten. ,,Wij hebben echter een manier gevonden om dat meetverbod te omzeilen: we kijken als het ware door een klein kiertje met een dikke zonnebril. Door vijfduizend keer zo te kijken, krijgen we een idee van wat er gebeurt”, legt Van der Wal uit. ,,Dat betekent dat we vijfduizend keer een zwak signaal meten en de uitkomsten middelen.” En zo konden de natuurkundigen het door de kwantumtheorie voorspelde energieverschil meten tussen een superpositie van linksom plus rechtsom en een superpositie van linksom min rechtsom.
,,Als je eenmaal accepteert dat superpositie in de kwantumwereld bestaat, kan er veel. De wiskundige formules zijn niet moeilijk, maar de consequenties van de uitkomsten zijn raar”, aldus Van der Wal.
Commercieel
Een kwantumcomputer werkt met enen en nullen, net als een gewone computer. Een stroompje linksom staat bijvoorbeeld voor een 0 en een stroompje rechtsom voor een 1, net als in de huidige pc’s een ongeladen condensator een 0 representeert en een geladen een 1. De aluminium ringetjes van de kwantumcomputer kunnen zich echter ook in een superpositie van 0 en 1 bevinden, namelijk 0 en 1 tegelijk.
In een klassieke computer kun je een twee keer zo groot getal opslaan als je een extra condensator, een bit, toegevoegd. Bij de kwantumcomputer neemt de opslagcapaciteit echter exponentieel toe als er een ringetje bij komt. Door superpositie kunnen twee kwantumringetjes vier verschillende getallen, namelijk 0, 1, 2 én 3, tegelijk opslaan. Tien ringetjes kunnen al maximaal 1024 verschillende getallen tegelijkertijd onthouden.
De kracht van het nieuwe type computer is dat alle opgeslagen getallen ook in één stap wiskundig te bewerken zijn. Tijdens het rekenen moet wel alle meetapparatuur uitstaan. Na al die parallelle berekeningen moet uiteindelijk door slimme interferentietrucs alleen de meest waarschijnlijke uitkomst verschijnen in een uit te lezen outputregister.
Tot zover de theorie. ,,Andere onderzoekers hebben al kunnen laten zien dat het idee werkt met atomen en fotonen. Ons voordeel is echter dat we elk ringetje apart kunnen manipuleren door het bijvoorbeeld groter of kleiner te maken, iets wat met enkele atomen en fotonen niet kan. Maar doordat we er zelf beter bij kunnen, kan ruis dat ook. Daarom is het bij onze ringetjes veel lastiger om het kwantumgedrag niet te verstoren.”
Wereldwijd werken zo’n vijf universitaire groepen aan de aluminium ringetjes, in een open sfeer. ,,Als we kunnen aantonen dat het principe werkt met tien ringetjes, dan gaat er wel iemand commercieel mee aan de slag.”
Van kwantumwereld naar gewone wereld
Voor het meten van kwantumgedrag in een aluminium ringetje heb je twee dingen nodig: microgolven en een apparaatje dat de grootte van een magneetveld bepaalt.
Microgolven zijn in de kwantumwereld niet alleen golven, maar ook pakketjes met een afgemeten hoeveelheid energie. Bestralen de onderzoekers het aluminium ringetje met pakketjes van precies de goede hoeveelheid energie, dan kunnen linksom lopende elektronen die opnemen. Ze keren zich dan om en gaan de andere kant op lopen, wat in het aangelegde magneetveld iets meer energie kost. Of ze gaan beide kanten tegelijk op lopen.
Dat kunnen ze niet ongemerkt doen. Elektronen die een rondje lopen, wekken zelf ook een magneetveld op. De richting en de grootte van dat magneetveld kan worden gemeten door een apparaatje wat als een iets grotere ring om het kwantumringetje heen ligt en wat via een stroomdraad met de buitenwereld is verbonden.
Het aluminium ringetje wordt overigens drie keer onderbroken door een barrière van een zeer dun laagje aluminiumoxide. Elektronen ondervinden geen weerstand van die barrières, maar de barrières zorgen er wel voor dat de elektronen in het aluminium ringetje niet continu het aangelegde magneetveld proberen op te heffen door een tegengesteld magneetveld van dezelfde grootte te veroorzaken. Het systeem streeft namelijk altijd naar een toestand met zo een zo laag mogelijk energieniveau en door die barrières bestaat er ook zo’n energieminimum als de elektronen zo stromen dat ze het magneetveld waar ze in liggen versterken.
Kleine aluminium ringetjes kunnen de basisstenen worden voor een nieuw type computer, denken natuurkundigen uit Delft en van het Amerikaanse MIT. Elektronen in een ijskoud aluminium ringetje kunnen zich namelijk samen als één kwantumdeeltje gedragen, stelden de onderzoekers afgelopen vrijdag in Science. Zo’n kwantumdeeltje kan verschillende verschijningsvormen tegelijkertijd hebben. Hierdoor moet een beperkt aantal ringetjes veel informatie tegelijk kunnen opslaan.
Kwantumcomputers met zulke ringetjes moeten speciale berekeningen kunnen uitvoeren die met de huidige computers langer duren dan de levensduur van het heelal. ,,Je kunt er alle huidige bankcodes mee kraken, omdat een kwantumcomputer snel grote getallen in priemgetallen kan ontbinden”, aldus ir. Caspar van der Wal, promovendus bij de TU-onderzoeksgroep Quantumtransport.
Zoeken in een database met bijvoorbeeld een miljoen ongeordende kaartjes moet ook sneller kunnen met een kwantumcomputer. De rekentijd is terug te brengen van een uur naar een paar seconden.
Zijn er nog meer toepassingen? ,,Er zijn nog maar een beperkt aantal problemen bekend waar een kwantumcomputer nuttig voor kan zijn. De afgelopen drie jaar is het verdacht stil op dat terrein”, zegt Van der Wal. ,,Maar wie had vijftig jaar geleden gedacht dat onze huidige computers zoveel zouden worden toegepast?”
Perfecte harmonie
De maffia hoeft de jacht op de kwantumcomputer de komende tien jaar in ieder geval nog niet te openen. Voorlopig hebben onderzoekers slechts de eerste stapjes gezet richting een kwantumcomputer. Ze bestudeerden alleen de eigenschappen van een enkel ringetje.
Het onderzochte aluminium ringetje is vierhonderd keer zo klein als een menselijke haar en als je het extreem afkoelt, bijna tot het absolute nulpunt, wordt het aluminium supergeleidend. Breng je zo’n koude ring in een zwak magneetveld, dan gaan er miljarden gepaarde elektronen in rondstromen zonder weerstand te ondervinden en in perfecte harmonie. Door de lage temperatuur kunnen de elektronen namelijk niet genoeg energie uit de omgeving opnemen om uit de band te springen.
Zo’n veertig miljard elektronen gedragen zich dan als één kwantummechanisch deeltje. En in de kwantumwereld gelden andere wetten dan in de voor ons waarneembare wereld. Een deeltje is daar niet per se op één plaats gelokaliseerd, maar kan uitgesmeerd zijn als een golf. In de kwantumwereld kan een pak hagelslag zich bijvoorbeeld uitsmeren over twee keukenkastjes tegelijk.
De supergeleidende elektronen in het ringetje kunnen linksom of rechtsom bewegen, afhankelijk van de stand het magneetveld waarin ze zich bevinden. Door de kwantumeffecten kan de elektronenmassa, die zich manifesteert als een golf, echter ook tegelijk beide kanten op gaan.
,,Ieder normaal mens kan zich daar niets meer bij voorstellen. Het betekent namelijk niet dat de helft van de elektronen de ene kant op draait en de andere helft de andere kant, maar alle supergeleidende elektronen gaan allemaal echt beide kanten tegelijk op”, stelt Van der Wal. Het eindresultaat, de kwantumsuperpositie, is te vergelijken met de manier waarop allerlei geluidsgolven van kletsende mensen op een druk feestje samen één geluidsgolf vormen die je oren ingaat.
Zonnebril
Deze kwantumsuperpositie is extreem gevoelig voor ruis. Door de minste of geringste verstoring verdwijnt deze toestand waarin de elektronen tegelijkertijd zowel rechtsom als linksom bewegen en gedraagt het systeem zich weer volgens de wetten van de huis-, tuin- en keukenwereld. ,,We meten het liefst ’s nachts of in het weekend als erweinig verkeer over de Mekelweg gaat en geen mensen met mobiele telefoons op de gang langskomen”, zegt ir. Alexander ter Haar. Hij was eerst als afstudeerder en is nu als promovendus bij het onderzoek betrokken.
Het experiment is ook uiterst gevoelig voor superkleine schommelingen in de temperatuur. Om de temperatuur zo laag te krijgen is een meer dan twee meter lange buis nodig, die wordt gekoeld met vloeibaar helium. Metingen bleken alleen mogelijk bij 30 milligraden boven het absolute nulpunt (-273 graden Celsius). Tijdens de meting mocht de temperatuur niet meer dan 0,05 milligraden variëren. ,,We kwamen er pas tijdens de metingen achter dat het zo nauw luistert”, aldus Ter Haar. ,,In totaal hebben we drie maanden om de koeler heen geleefd om alles te optimaliseren.”
Om de kwantumeffecten niet te verstoren is het stopcontact uit den boze. Alle apparatuur wordt via batterijen van voeding voorzien. De meetinstrumentjes in de koeler hebben ook geen direct contact met een pc. Tussen de experimentele opstelling en de pc, die het geheel aanstuurt en de data ontvangt, zit een kast die elektrische signalen omzet in optische. Zo wordt de experimentele opstelling met optische signalen aangestuurd.
Het meten zelf verstoort volgens de theorie ook de kwantumeffecten. ,,Wij hebben echter een manier gevonden om dat meetverbod te omzeilen: we kijken als het ware door een klein kiertje met een dikke zonnebril. Door vijfduizend keer zo te kijken, krijgen we een idee van wat er gebeurt”, legt Van der Wal uit. ,,Dat betekent dat we vijfduizend keer een zwak signaal meten en de uitkomsten middelen.” En zo konden de natuurkundigen het door de kwantumtheorie voorspelde energieverschil meten tussen een superpositie van linksom plus rechtsom en een superpositie van linksom min rechtsom.
,,Als je eenmaal accepteert dat superpositie in de kwantumwereld bestaat, kan er veel. De wiskundige formules zijn niet moeilijk, maar de consequenties van de uitkomsten zijn raar”, aldus Van der Wal.
Commercieel
Een kwantumcomputer werkt met enen en nullen, net als een gewone computer. Een stroompje linksom staat bijvoorbeeld voor een 0 en een stroompje rechtsom voor een 1, net als in de huidige pc’s een ongeladen condensator een 0 representeert en een geladen een 1. De aluminium ringetjes van de kwantumcomputer kunnen zich echter ook in een superpositie van 0 en 1 bevinden, namelijk 0 en 1 tegelijk.
In een klassieke computer kun je een twee keer zo groot getal opslaan als je een extra condensator, een bit, toegevoegd. Bij de kwantumcomputer neemt de opslagcapaciteit echter exponentieel toe als er een ringetje bij komt. Door superpositie kunnen twee kwantumringetjes vier verschillende getallen, namelijk 0, 1, 2 én 3, tegelijk opslaan. Tien ringetjes kunnen al maximaal 1024 verschillende getallen tegelijkertijd onthouden.
De kracht van het nieuwe type computer is dat alle opgeslagen getallen ook in één stap wiskundig te bewerken zijn. Tijdens het rekenen moet wel alle meetapparatuur uitstaan. Na al die parallelle berekeningen moet uiteindelijk door slimme interferentietrucs alleen de meest waarschijnlijke uitkomst verschijnen in een uit te lezen outputregister.
Tot zover de theorie. ,,Andere onderzoekers hebben al kunnen laten zien dat het idee werkt met atomen en fotonen. Ons voordeel is echter dat we elk ringetje apart kunnen manipuleren door het bijvoorbeeld groter of kleiner te maken, iets wat met enkele atomen en fotonen niet kan. Maar doordat we er zelf beter bij kunnen, kan ruis dat ook. Daarom is het bij onze ringetjes veel lastiger om het kwantumgedrag niet te verstoren.”
Wereldwijd werken zo’n vijf universitaire groepen aan de aluminium ringetjes, in een open sfeer. ,,Als we kunnen aantonen dat het principe werkt met tien ringetjes, dan gaat er wel iemand commercieel mee aan de slag.”
Van kwantumwereld naar gewone wereld
Voor het meten van kwantumgedrag in een aluminium ringetje heb je twee dingen nodig: microgolven en een apparaatje dat de grootte van een magneetveld bepaalt.
Microgolven zijn in de kwantumwereld niet alleen golven, maar ook pakketjes met een afgemeten hoeveelheid energie. Bestralen de onderzoekers het aluminium ringetje met pakketjes van precies de goede hoeveelheid energie, dan kunnen linksom lopende elektronen die opnemen. Ze keren zich dan om en gaan de andere kant op lopen, wat in het aangelegde magneetveld iets meer energie kost. Of ze gaan beide kanten tegelijk op lopen.
Dat kunnen ze niet ongemerkt doen. Elektronen die een rondje lopen, wekken zelf ook een magneetveld op. De richting en de grootte van dat magneetveld kan worden gemeten door een apparaatje wat als een iets grotere ring om het kwantumringetje heen ligt en wat via een stroomdraad met de buitenwereld is verbonden.
Het aluminium ringetje wordt overigens drie keer onderbroken door een barrière van een zeer dun laagje aluminiumoxide. Elektronen ondervinden geen weerstand van die barrières, maar de barrières zorgen er wel voor dat de elektronen in het aluminium ringetje niet continu het aangelegde magneetveld proberen op te heffen door een tegengesteld magneetveld van dezelfde grootte te veroorzaken. Het systeem streeft namelijk altijd naar een toestand met zo een zo laag mogelijk energieniveau en door die barrières bestaat er ook zo’n energieminimum als de elektronen zo stromen dat ze het magneetveld waar ze in liggen versterken.
Comments are closed.