‘De kwantumcomputer is misschien wel niet haalbaar’

In 2001 rekende je met collega’s van IBM en Stanford University uit dat vijftien gelijk is aan drie maal vijf. Het belangrijkste onderdeel van jullie rekenmachine was een vloeistof in een reageerbuisje. Hoe is dat mogelijk?

“In de reageerbuis hadden we een oplossing van een molecuul van vijf fluorine- en twee koolstofatomen. Die atomen vormden zeven qubits, of informatiedragers. Door ze met radiogolven te bestralen konden we hun draairichting sturen. Alle atomen draaien rond, ze hebben ‘spin’ zoals dat heet, en gedragen zich daardoor als kleine magneetjes. De magneetjes beïnvloeden elkaar ook. Door gericht pulsen te sturen, volgens een kwantumalgoritme, konden we de moleculen daardoor een soort ballet laten uitvoeren: een choreografie van kwantumspins. De uitkomsten van onze wiskundige input lazen we uit met nuclear magnetic resonance (NMR). Dit is vergelijkbaar met een MRI in een ziekenhuis.”
Het moet een euforisch moment zijn geweest toen uit het reageerbuisje het juiste antwoord rolde.

“Er was niet echt een eurekamoment. Eerst experimenteerde ik met twee spins in een chloroformmolecuul. Dat was erg eenvoudig. Toch wilde mijn begeleider het direct naar Nature sturen. ‘Ben je gek’, zei ik. Maar achteraf bezien heeft hij gelijk gehad. Het gaat erom hoe belangwekkend een onderzoek is, niet om hoe lastig het is om uit te voeren.

Het experiment met zeven spins was wel best lastig. In het begin was het een zooitje. We hadden de atomen niet strak genoeg in de hand. De spins werden beïnvloed door ruis uit de omgeving, zoals de spins in het oplosmiddel. We maakten heel wat vooruitgang, maar uiteindelijk liepen we tegen een muur op. Toen ben ik een model gaan schrijven om deze effecten te begrijpen. Hierdoor konden we de NMR-metingen goed interpreteren.”
Je zou verwachten dat de berekeningen steeds complexer worden, maar nu werk je bij de TU aan een techniek waarmee je nog niet eens kunt uitrekenen hoeveel één plus één is.

“We doen een stap terug om vervolgens twee stappen vooruit te zetten. Uiteindelijk wil je namelijk naar systemen met duizenden bits en niet zeven zoals in onze vloeistof. Er bestaan polymeren die lang genoeg zijn. Maar je kunt nooit al die atomen aansturen. Alle atomen in een molecuul moeten zich voor de berekening namelijk in dezelfde starttoestand bevinden. Allemaal met hun spin naar boven gericht of naar beneden. In een oplossing van moleculen die uit zeven atomen bestaan zijn voldoende deeltjes aanwezig waarin alle atomen toevalligerwijs dezelfde kant op wijzen. Maar hoe groter het molecuul, hoe kleiner de kans hierop is. We hadden de grens bereikt. Mijn promotieonderzoek viel samen met het hoogtepunt van de vloeistof kwantumrekenaar.”
En nu werk je aan kwantumdots.

“Ja, het voordeel is dat we daarmee de computer kunnen opschalen. Kwantumdots bestaan uit afzonderlijke elektronen die opgesloten zitten in kooitjes van gouden elektrodes. Met magnetische en elektrisch velden kunnen we de spin van de deeltjes aansturen. Ook hier geldt dat de deeltjes elkaar direct beïnvloeden. Net als met transistors op chips in de huidige computer zouden we ook kwantumdots aan elkaar kunnen koppelen op een chip. Het grote voordeel is dat de elektronen niet zoals een normale bit twee toestanden kent: nul of één, maar dat hij ook nul en één tegelijk kan zijn. Superpositie heet dit. Drie qubits kunnen daardoor twee tot de derde (acht) getallen tegelijk bevatten. En tien qubits twee tot de tiende, oftewel 1024. In al die verschillende combinaties kan de computer tegelijkertijd berekeningen uitvoeren.”
Je hebt werktuigbouwkunde gestudeerd in Leuven. Hoe ben je verzeild geraakt in de kwantummechanica?

“We kregen ook kwantummechanicavakken. Dat was toen verplicht. Ik werd wild van de theorieën die ik hoorde. Zoals de theorie dat qubits met elkaar verstrengeld kunnen zijn, wat een cruciaal onderdeel is van het kwantumrekenen. Meting van de toestand van het ene elektron beïnvloedt dan die van het andere elektron, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn. Einstein geloofde niet dat dit mogelijk was. Hij noemde het ‘Spooky action at a distance‘. Je kunt het je ook nauwelijks voorstellen. Toch is onderhand bewezen dat het wel zo werkt. Het is fascinerend. Het lijkt alsof de deeltjes sneller dan het licht met elkaar communiceren, al is dat natuurlijk niet zo. Je kunt het fenomeen ook gebruiken voor kwantumcryptografie of teleportatie. Je brengt een kwantumtoestand ergens anders over zonder de deeltjes te verplaatsen. De vergelijking met ‘Beam me up Scotty‘ gaat niet helemaal op, maar het doet er wel aan denken.”
Het lijkt inderdaad wel science fiction.

“Ja, maar toch is het science.”
Jouw collega, prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven, zei onlangs in NRC Handelsblad dat de kwantumcomputer een kapstok is voor kwantummechanisch onderzoek. Kan ik hieruit opmaken dat jullie betwijfelen of die computer er ooit komt, maar intussenwel fijn fundamenteel onderzoek doen?

“Er is geen reden te bedenken waarom het niet mogelijk zou zijn om een kwantumcomputer te maken. Het hangt af van de motivatie. Ook is het belangrijk dat bedrijven het onderzoek op een gegeven moment overnemen. Maar het is waar, we zijn niet direct een kwantumcomputer aan het bouwen. En het kan nog tientallen jaren duren voordat het zover is. We onderzoeken vooral de wijze waarop de kwantummechanica afwijkt van de klassieke natuurkunde. Daar maken we echt vooruitgang in. Dat we die kwantummechanische effecten kunnen gebruiken om te rekenen, dat is fantastisch. Het blijkt dat de heilige principes waarmee machines rekenen anders kunnen zijn dan altijd gedacht. De laatste twintig jaar is er een hele kwantuminformatietheorie ontstaan.”
Wat maakt de bouw van een kwantumcomputer zo lastig?

“Het is vooral moeilijk de elektronen in kwantumdots lang genoeg in een bepaalde spintoestand te houden. Ze zijn erg gevoelig voor ruis. Op de chips van galium en arsenide die we nu gebruiken, worden de elektronen sterk beïnvloed door de spins van de atoomkernen in de chip. We beginnen nu ook met chips van grafeen te experimenteren. Die moeten minder ruis opleveren. Daar heeft mijn groep vorige maand een subsidie van een half miljoen euro voor gekregen van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie.”
Maar er zijn ook andere concurrerende technieken voor de kwantumcomputer, zoals supergeleidende ringetjes, die stroom links- en rechtsom tegelijk doorlaten, chips met ionen in plaats van elektronen en systemen waarbij fotonen als qubits werken.

“Er zijn inderdaad een hoop verschillende onderzoeksgroepen en technieken. Maar het aantal mogelijkheden dunt steeds verder uit. Vloeistof is al afgevallen. Ook fotonen lijken niet geschikt om mee te rekenen. Naast de methode die ik onderzoek zijn supergeleidende ringetjes en ionen veelbelovend.”
In de jaren negentig sloten jullie voor het eerst een elektron op in een kwantumdot. Sinds een paar jaar kunnen jullie de draairichting van het deeltje uitlezen. Vervolgens beïnvloedden jullie de spin met een magneetveld. En de laatste doorbraak is een elektron naar believen te sturen met een elektrisch veld. Telkens koppen de kranten dat de kwantumcomputer weer een stap dichterbij is gekomen. Op een gegeven moment gaat dat vervelen.

“Misschien wel, maar journalisten hebben nu eenmaal een kapstok nodig. We zijn er altijd heel helder in dat het lopend onderzoek is en dat de kwantumcomputer misschien wel niet haalbaar is. We noemen trouwens ook niet altijd de kwantumcomputer in persberichten. Kijk, neem dit persbericht (hij vist er een op uit zijn computer), hier hebben we het bijvoorbeeld niet over … oh nee, toch wel, in de tweede alinea.”
Je bent lid van de Jonge Akademie. Hoe voelt dat?

“Het is natuurlijk een eer. Een van de doelstellingen van de Jonge Academie is om verschillende disciplines bij elkaar te brengen, van neurowetenschappen tot rechten en geschiedenis. Ik mis dat aan de TU waar alleen techneuten zijn. Ik kijk er erg naar uit.”
Wie is Lieven Vandersypen?

Dr.ir. Lieven Vandersypen (Leuven, 1972) maakte tijdens zijn promotieonderzoek aan de Stanford University in de Verenigde Staten een van de eerste kwantum berekeningen ooit. Het belangrijkste onderdeel van zijn rekensysteem was een reageerbuisje met vloeistof. Sinds zijn promotie in 2001 werkt hij aan de TU, bij de afdeling kwantumtransport van Technische Natuurwetenschappen. Als postdoc en universitair hoofddocent heeft hij gewerkt aan doorbraken als de uitlezing en controle van individuele elektronspins in halfgeleider kwantumdots. Daarnaast werkt hij aan grafeen, een laag grafiet van één atoom dik, waarin elektronen zich gedragen als relativistische deeltjes. Hij heeft zeven publicaties in de wetenschappelijke toptijdschriften ‘Nature’ en ‘Science’ op zijn naam staan. In november is hij toegetreden tot de Jonge Akademie van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen.

In 2001 rekende je met collega’s van IBM en Stanford University uit dat vijftien gelijk is aan drie maal vijf. Het belangrijkste onderdeel van jullie rekenmachine was een vloeistof in een reageerbuisje. Hoe is dat mogelijk?

“In de reageerbuis hadden we een oplossing van een molecuul van vijf fluorine- en twee koolstofatomen. Die atomen vormden zeven qubits, of informatiedragers. Door ze met radiogolven te bestralen konden we hun draairichting sturen. Alle atomen draaien rond, ze hebben ‘spin’ zoals dat heet, en gedragen zich daardoor als kleine magneetjes. De magneetjes beïnvloeden elkaar ook. Door gericht pulsen te sturen, volgens een kwantumalgoritme, konden we de moleculen daardoor een soort ballet laten uitvoeren: een choreografie van kwantumspins. De uitkomsten van onze wiskundige input lazen we uit met nuclear magnetic resonance (NMR). Dit is vergelijkbaar met een MRI in een ziekenhuis.”
Het moet een euforisch moment zijn geweest toen uit het reageerbuisje het juiste antwoord rolde.

“Er was niet echt een eurekamoment. Eerst experimenteerde ik met twee spins in een chloroformmolecuul. Dat was erg eenvoudig. Toch wilde mijn begeleider het direct naar Nature sturen. ‘Ben je gek’, zei ik. Maar achteraf bezien heeft hij gelijk gehad. Het gaat erom hoe belangwekkend een onderzoek is, niet om hoe lastig het is om uit te voeren.

Het experiment met zeven spins was wel best lastig. In het begin was het een zooitje. We hadden de atomen niet strak genoeg in de hand. De spins werden beïnvloed door ruis uit de omgeving, zoals de spins in het oplosmiddel. We maakten heel wat vooruitgang, maar uiteindelijk liepen we tegen een muur op. Toen ben ik een model gaan schrijven om deze effecten te begrijpen. Hierdoor konden we de NMR-metingen goed interpreteren.”
Je zou verwachten dat de berekeningen steeds complexer worden, maar nu werk je bij de TU aan een techniek waarmee je nog niet eens kunt uitrekenen hoeveel één plus één is.

“We doen een stap terug om vervolgens twee stappen vooruit te zetten. Uiteindelijk wil je namelijk naar systemen met duizenden bits en niet zeven zoals in onze vloeistof. Er bestaan polymeren die lang genoeg zijn. Maar je kunt nooit al die atomen aansturen. Alle atomen in een molecuul moeten zich voor de berekening namelijk in dezelfde starttoestand bevinden. Allemaal met hun spin naar boven gericht of naar beneden. In een oplossing van moleculen die uit zeven atomen bestaan zijn voldoende deeltjes aanwezig waarin alle atomen toevalligerwijs dezelfde kant op wijzen. Maar hoe groter het molecuul, hoe kleiner de kans hierop is. We hadden de grens bereikt. Mijn promotieonderzoek viel samen met het hoogtepunt van de vloeistof kwantumrekenaar.”
En nu werk je aan kwantumdots.

“Ja, het voordeel is dat we daarmee de computer kunnen opschalen. Kwantumdots bestaan uit afzonderlijke elektronen die opgesloten zitten in kooitjes van gouden elektrodes. Met magnetische en elektrisch velden kunnen we de spin van de deeltjes aansturen. Ook hier geldt dat de deeltjes elkaar direct beïnvloeden. Net als met transistors op chips in de huidige computer zouden we ook kwantumdots aan elkaar kunnen koppelen op een chip. Het grote voordeel is dat de elektronen niet zoals een normale bit twee toestanden kent: nul of één, maar dat hij ook nul en één tegelijk kan zijn. Superpositie heet dit. Drie qubits kunnen daardoor twee tot de derde (acht) getallen tegelijk bevatten. En tien qubits twee tot de tiende, oftewel 1024. In al die verschillende combinaties kan de computer tegelijkertijd berekeningen uitvoeren.”
Je hebt werktuigbouwkunde gestudeerd in Leuven. Hoe ben je verzeild geraakt in de kwantummechanica?

“We kregen ook kwantummechanicavakken. Dat was toen verplicht. Ik werd wild van de theorieën die ik hoorde. Zoals de theorie dat qubits met elkaar verstrengeld kunnen zijn, wat een cruciaal onderdeel is van het kwantumrekenen. Meting van de toestand van het ene elektron beïnvloedt dan die van het andere elektron, hoe ver ze ook van elkaar verwijderd zijn. Einstein geloofde niet dat dit mogelijk was. Hij noemde het ‘Spooky action at a distance‘. Je kunt het je ook nauwelijks voorstellen. Toch is onderhand bewezen dat het wel zo werkt. Het is fascinerend. Het lijkt alsof de deeltjes sneller dan het licht met elkaar communiceren, al is dat natuurlijk niet zo. Je kunt het fenomeen ook gebruiken voor kwantumcryptografie of teleportatie. Je brengt een kwantumtoestand ergens anders over zonder de deeltjes te verplaatsen. De vergelijking met ‘Beam me up Scotty‘ gaat niet helemaal op, maar het doet er wel aan denken.”
Het lijkt inderdaad wel science fiction.

“Ja, maar toch is het science.”
Jouw collega, prof.dr.ir. Leo Kouwenhoven, zei onlangs in NRC Handelsblad dat de kwantumcomputer een kapstok is voor kwantummechanisch onderzoek. Kan ik hieruit opmaken dat jullie betwijfelen of die computer er ooit komt, maar intussenwel fijn fundamenteel onderzoek doen?

“Er is geen reden te bedenken waarom het niet mogelijk zou zijn om een kwantumcomputer te maken. Het hangt af van de motivatie. Ook is het belangrijk dat bedrijven het onderzoek op een gegeven moment overnemen. Maar het is waar, we zijn niet direct een kwantumcomputer aan het bouwen. En het kan nog tientallen jaren duren voordat het zover is. We onderzoeken vooral de wijze waarop de kwantummechanica afwijkt van de klassieke natuurkunde. Daar maken we echt vooruitgang in. Dat we die kwantummechanische effecten kunnen gebruiken om te rekenen, dat is fantastisch. Het blijkt dat de heilige principes waarmee machines rekenen anders kunnen zijn dan altijd gedacht. De laatste twintig jaar is er een hele kwantuminformatietheorie ontstaan.”
Wat maakt de bouw van een kwantumcomputer zo lastig?

“Het is vooral moeilijk de elektronen in kwantumdots lang genoeg in een bepaalde spintoestand te houden. Ze zijn erg gevoelig voor ruis. Op de chips van galium en arsenide die we nu gebruiken, worden de elektronen sterk beïnvloed door de spins van de atoomkernen in de chip. We beginnen nu ook met chips van grafeen te experimenteren. Die moeten minder ruis opleveren. Daar heeft mijn groep vorige maand een subsidie van een half miljoen euro voor gekregen van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie.”
Maar er zijn ook andere concurrerende technieken voor de kwantumcomputer, zoals supergeleidende ringetjes, die stroom links- en rechtsom tegelijk doorlaten, chips met ionen in plaats van elektronen en systemen waarbij fotonen als qubits werken.

“Er zijn inderdaad een hoop verschillende onderzoeksgroepen en technieken. Maar het aantal mogelijkheden dunt steeds verder uit. Vloeistof is al afgevallen. Ook fotonen lijken niet geschikt om mee te rekenen. Naast de methode die ik onderzoek zijn supergeleidende ringetjes en ionen veelbelovend.”
In de jaren negentig sloten jullie voor het eerst een elektron op in een kwantumdot. Sinds een paar jaar kunnen jullie de draairichting van het deeltje uitlezen. Vervolgens beïnvloedden jullie de spin met een magneetveld. En de laatste doorbraak is een elektron naar believen te sturen met een elektrisch veld. Telkens koppen de kranten dat de kwantumcomputer weer een stap dichterbij is gekomen. Op een gegeven moment gaat dat vervelen.

“Misschien wel, maar journalisten hebben nu eenmaal een kapstok nodig. We zijn er altijd heel helder in dat het lopend onderzoek is en dat de kwantumcomputer misschien wel niet haalbaar is. We noemen trouwens ook niet altijd de kwantumcomputer in persberichten. Kijk, neem dit persbericht (hij vist er een op uit zijn computer), hier hebben we het bijvoorbeeld niet over … oh nee, toch wel, in de tweede alinea.”
Je bent lid van de Jonge Akademie. Hoe voelt dat?

“Het is natuurlijk een eer. Een van de doelstellingen van de Jonge Academie is om verschillende disciplines bij elkaar te brengen, van neurowetenschappen tot rechten en geschiedenis. Ik mis dat aan de TU waar alleen techneuten zijn. Ik kijk er erg naar uit.”
Wie is Lieven Vandersypen?

Dr.ir. Lieven Vandersypen (Leuven, 1972) maakte tijdens zijn promotieonderzoek aan de Stanford University in de Verenigde Staten een van de eerste kwantum berekeningen ooit. Het belangrijkste onderdeel van zijn rekensysteem was een reageerbuisje met vloeistof. Sinds zijn promotie in 2001 werkt hij aan de TU, bij de afdeling kwantumtransport van Technische Natuurwetenschappen. Als postdoc en universitair hoofddocent heeft hij gewerkt aan doorbraken als de uitlezing en controle van individuele elektronspins in halfgeleider kwantumdots. Daarnaast werkt hij aan grafeen, een laag grafiet van één atoom dik, waarin elektronen zich gedragen als relativistische deeltjes. Hij heeft zeven publicaties in de wetenschappelijke toptijdschriften ‘Nature’ en ‘Science’ op zijn naam staan. In november is hij toegetreden tot de Jonge Akademie van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen.