Bouwstenen van de quantumcomputer

Bij de zoektocht naar de fundamentele bouwsteen van de quantumcomputer gaat de strijd tussen vier typen quantumbits. Nu proberen onderzoekers ze voor het eerst in één computerkast te laten samenwerken.

John Bardeen, William Shockley en Walter Brattain in Bell Labs in 1948. (Bron: Wikimedia Commons)

In 1923 bedacht de Joods-Amerikaanse fysicus Julius Edgar Lilienfeld een stukje elektronica waarvan hij op dat moment niet kon vermoeden dat het de wereld ingrijpend zou veranderen. Hoewel hij in 1925 voor zijn uitvinding een patent aanvroeg, deed hij daar om onbekende reden vervolgens niets mee, zodat zijn vinding in vergetelheid raakte.

Pas jaren later, in 1947, kwamen de fysici William Bradford Shockley, John Bardeen en Walter Houser Brattain onafhankelijk van Lilienfeld op hetzelfde idee, en wonnen daarvoor in 1956 prompt de Nobelprijs voor de Natuurkunde. De reden? Zij hadden in het Bell-laboratorium van telecommunicatiebedrijf AT&T de basis gelegd voor de transistor – een halfgeleider die inmiddels bekend staat als het belangrijkste onderdeel van de moderne computer.

Transistoren dienen in chips en processoren als schakelaars die een signaal aan of uit kunnen zetten. Op die manier maken ze de nullen en enen, ofwel bits, waarin computers hun informatie versleutelen. De processor in je pc, tablet of telefoon bevat miljoenen tot miljarden van dat soort transistoren.

Nu probeert een nieuwe generatie fysici in de voetsporen te treden van Lilienfeld, Shockley, Bardeen en Brattain. Zij doen onderzoek naar een nieuwe bouwsteen die net zo’n revolutie kan veroorzaken als transistoren: de qubit, het basisbestanddeel van de toekomstige quantumcomputer. Dankzij de vreemde eigenschappen van de quantumfysica biedt een qubit veel meer rekenmogelijkheden dat een ‘gewone’ bit. Een qubit kan, in tegenstelling tot de ‘gewone’ bit, niet enkel nul of één zijn, maar ook nul en één tegelijk. Die extra mogelijkheid om informatie te verwerken is een van de redenen dat quantumcomputers sneller kunnen rekenen dan de computers die wij op dit moment gebruiken. In een nieuw lab aan de TU Delft hopen fysici met behulp van dergelijke qubits een quantumcomputer te bouwen die wetenschappelijk helemaal af is (zie verhaal Delftse eindsprint met nieuw quantumlab).

‘Op een Intel-chip zitten zo’n tien miljard transistoren. Zoiets willen wij voor de quantumcomputer ook bereiken’, zegt fysicus Leo Kouwenhoven, die de leiding heeft over het nieuwe lab. Welk type qubit de toekomstige quantumcomputer laat rekenen, is nog niet duidelijk. ‘In vijf jaar tijd hebben we ongeveer honderd mogelijkheden voor een qubit teruggebracht naar vier’, zegt Kouwenhoven. Die vier typen qubits passen in Delft straks in één experimentele computerkast. ‘Dat is een grote doorbraak’, zegt Kouwenhoven.

Concurrenten als Microsoft en IBM werken in hun quantumcomputerlabs slechts aan één type qubit – het type waarvan men daar verwacht dat deze de meeste potentie heeft. Werken met alle vier qubits tegelijk is volgens Kouwenhoven echter veel handiger. Het biedt namelijk de mogelijkheid om zowel te onderzoeken wat de voor- en nadelen van de verschillende typen zijn, als de manier waarop ze elkaars werking kunnen versterken of hinderen. Dat dat in Delft überhaupt kan, is volgens Kouwenhoven een gelukkig toeval. ‘We hadden hier de expertise voor de vier typen qubits al rondlopen’, zegt hij.

Rekenbeest

Ronald Hanson bouwt zijn qubits nu nog op optische tafels. In de toekomst zullen die qubits kleiner zijn en op een chip passen. (Bron: TU Delft)

De quantumcomputer die in Delft vorm moet krijgen, zal de vier gekozen qubits voor verschillende taken gebruiken, afhankelijk van wat de sterkste punten van de afzonderlijke typen qubits zijn. Ze kunnen onder meer dienen als geheugen voor quantuminformatie, of als schakelaars die andere qubits met elkaar laten communiceren. De belangrijkste taak die deze qubits in de toekomstige quantumcomputer zullen vervullen, is echter rekenen.

Daarom willen de fysici uiteindelijk ontdekken welke van de gebruikte qubits het ultieme rekenbeest is. ‘We hopen dat één systeem daarin beter blijkt’, zegt fysicus Ronald Hanson, die in het lab onderzoek doet naar een van die qubits. ‘Je wilt niet over tien jaar nog op vier technologieën mikken.’

Met ‘beter’ bedoelt Hanson de ideale combinatie van twee eigenschappen van qubits. ‘Het gaat erom zoveel mogelijk berekeningen te doen binnen de tijd waarin de qubit zijn informatie kan behouden’, zegt Hanson. De Delftse fysici zoeken daarom naar de ideale combinatie tussen de rekensnelheid van de qubit en zijn zogeheten coherentietijd – de tijdsduur waarbinnen een qubit zijn quantuminformatie kan vasthouden.

Elke qubit heeft namelijk de onhandige eigenschap zijn informatie na verloop van tijd te verliezen, bijvoorbeeld doordat de informatie weglekt naar de omgeving of beschadigd raakt door invloeden van buitenaf. Dat proces proberen quantumcomputerbouwers in hun qubits zo lang mogelijk uit te stellen.

Op dit moment rekenen sommige typen qubits iets sneller dan andere typen, en zijn anderen weer iets langer coherent. De hoeveelheid berekeningen die elke qubit kan doen voordat zijn informatie beschadigd raakt, is op dit moment voor elk van de vier opties daarom ongeveer even groot. In het nieuwe quantumlab hopen de fysici te ontdekken welke qubit uiteindelijk de beste prestaties levert.

Van die vier mogelijke qubits bestaat de zogeheten supergeleidende qubit het langst. In het Delftse lab staat fysicus Leo DiCarlo aan het hoofd van een onderzoeksgroep die de supergeleidende qubits bouwt. ‘We werken op dit moment aan een chip met acht qubits’, zegt DiCarlo. ‘De grootste chip bevat nu nog vier qubits. In het nieuwe lab willen we de stap zetten naar zeventien qubits.’

De qubit van DiCarlo bestaat uit een schakeling met twee minuscule platen waarop elektrische lading kan worden opgeslagen. Die platen zijn gescheiden door een dunne isolator die normaal gesproken alle stroom zou blokkeren. Maar wanneer de isolator dun genoeg is, kan er dankzij de vreemde effecten van de quantummechanica toch een elektrische stroom lopen van de ene naar de andere plaat.

De twee platen vormen het gereedschap waarmee de qubit de ‘0’ en de ‘1’ van digitale informatie kan leveren. Het is verleidelijk om te denken dat ‘0’ een vertaling is van het geval waarbij alle lading op de ene plaat zit en ‘1’ van het geval waarbij de lading op de andere plaat zit. Maar dat is te simpel, benadrukt DiCarlo. In zijn qubits zit namelijk altijd lading op beide platen, maar er is slechts een beperkt aantal ladingsverdelingen die energetisch gunstig en daardoor stabiel zijn. DiCarlo: ‘De twee verdelingen met de laagste en één-na-laagste energie gebruiken we als de nul en de een.’

Diamant

De qubits waarmee Ronald Hanson werkt, functioneren op een schaal van enkele micrometers. (Bron: TU Delft)

Dat dit niet de enige manier is om quantumtoestanden te vertalen naar nullen en enen blijkt uit het werk van Hanson. Hij staat in het nieuwe lab aan het hoofd van een onderzoeksgroep die de mogelijkheden van qubits van diamant onderzoekt. Normaal gesproken bestaat diamant uit koolstofatomen, maar onderzoekers kunnen in dat rooster ook een ander atoom stoppen. Als dat een stikstofatoom is, ontstaat in dat rooster een putje. ‘In dat putje past een elektron’, zegt Hanson. De spin van dat elektron – een quantummechanische versie van het hoekmoment – kan twee richtingen hebben: omhoog of omlaag. Die twee richtingen vormen in deze qubit de ‘0’ en de ‘1’.

Ook de derde qubit die in het Delftse lab gebruikt wordt, hanteert dat principe. Fysicus Lieven Vandersypen werkt aan een qubit waarvan het voornaamste verschil met de qubit van Hanson schuilt in de manier waarop je met het elektron moet communiceren. Bij Hanson gaat dat met lichtpulsen, terwijl het bij Vandersypen met elektrische stroompjes kan.

De laatste optie voor de qubit is het majoranadeeltje. Met de ontdekking van dat deeltje haalde Kouwenhoven vorig jaar nog de wereldpers. ‘Het majoranadeeltje is in feite een half fermion’, zegt Kouwenhoven. Fermionen zijn een categorie deeltjes waar onder meer het elektron en het quark toe behoren. De lading van het majoranadeeltje is ½e of – ½e, waarbij e de lading is van het elektron. ‘Bij een ladingsmeting zal de elektrische lading van een majoranapaar daardoor ‘0’ of ‘e’ zijn’, zegt Kouwenhoven. Die eigenschap laat zich vertalen naar de ‘0’ en ‘1’ van digitale informatie.

De voor- en nadelen van de diverse qubits zorgen ervoor dat elke qubit op het eerste gezicht van pas kan komen in een toekomstige quantumcomputer. Zo zijn majoranadeeltjes mogelijk vooral geschikt als geheugen, omdat ze in theorie langer coherent blijven dan de andere qubits. De diamanten qubits versturen hun informatie door optische kabels, hetzelfde soort kabels die nu gebruikt wordt voor onze internetverbindingen. Daardoor zouden deze qubits weleens essentieel kunnen blijken bij het opbouwen van een toekomstig quantuminternet.

Hoewel uiteindelijk maar één qubit het meest geschikt zal blijken als rekenbeest, is het daarom toch goed denkbaar dat een toekomstige quantumcomputer uiteindelijk met meerdere typen qubits wordt uitgerust. Daarvoor is het wel nodig dat al die qubits kunnen samenwerken in één quantumcomputerkast. Volgens Hanson is dat mogelijk omdat alle vier de qubits een belangrijke eigenschap gemeen hebben. ‘Het energieverschil tussen de toestanden die in de verschillende qubits coderen voor de ‘0’ en de ‘1’ is voor alle qubits ongeveer gelijk’, zegt Hanson. ‘Daardoor kunnen we dezelfde apparatuur gebruiken om berekeningen mee te doen.’

Een eerste stap hebben de Delftse onderzoekers inmiddels gezet. Hanson: ‘Het is mij en Leo DiCarlo gelukt om onze qubits samen op één chip te krijgen.’ Binnenkort zal de rest volgen. Met de definitieve keuze voor de fundamentele bouwstenen van quantumcomputers treden de fysici dan definitief in de voetsporen van de pioniers die meer dan een halve eeuw geleden de basis legden voor de eerste ICT-revolutie.

Dit verhaal is eerder verschenen in New Scientist. Het was onderdeel van een dossier over quantumcomputers. Het andere verhaal uit dat dossier (Delftse eindsprint met nieuw quantumlab) kun je hier nalezen.