Delfts-Leidse kwantumcomputerwerkplaats van start met Synergy-geld
Leids nanofysicus Carlo Beenakker participeert in een Delfts-Leids driemanschap dat met 15 miljoen Euro Europees geld een lab mag gaan opzetten om de kwantumcomputer van de grond te krijgen. Het Majoranadeeltje gaat hen daarbij helpen.
De twee Delftse aanvragers, Leo Kouwenhoven en Lieven Vandersypen, werken met Beenakker al sinds 2004 aan het ontwerpen van een kwantumcomputer, met steun van de NWO-stichting FOM. De ‘synergie’ van dit nieuwe project houdt in dat de hele keten – van de theoretische kwantumfysica tot en met ‘de schroeven en de bouten’ van een miniatuur kwantumcomputer - op één plek (in Delft) wordt ondergebracht. De studenten uit Beenakkers groep zullen dan ook een deel van hun tijd daar doorbrengen om hun theoretische ideeën te testen.
Struikelblok
In hun nieuwe lab kunnen de drie hopelijk het grootste struikelblok uit de weg ruimen voor het maken van een kwantumcomputer. Dat struikelblok is kwantumdecoherentie: verlies van de vrijheid van kwantumdeeltjes om twee dingen tegelijk te kunnen zijn of doen. Om dat verlies tegen te gaan moet je de deeltjes beschermen tegen storende interferentie van de omgeving die maakt dat ze weer in het alledaagse gareel schieten.
Beschermende omgeving
Hiervoor gaan de onderzoekers een miniatuur kwantumcircuit bouwen, op basis van belangrijke ontdekkingen die ze de afgelopen jaren hebben gedaan, waaronder die van het Majoranadeeltje. Binnen dit circuit willen ze een beschermende omgeving creëren voor de kwantumcoherente deeltjes.
Als het werkt kan het de eerste bouwsteen worden voor een heel complex van circuits dat samen een kwantumcomputer vormt.
Qubits
Huidige computers zijn gebaseerd op het principe dat getallen, bits genoemd, 0 of 1 kunnen zijn. Door steeds weer optellen en aftrekken komt een computer uiteindelijk bij de uitkomst van een berekening. Een kwantumcomputer werkt anders. Die is gebaseerd op de kwantummechanica, waarin deeltjes twee eigenschappen tegelijk kunnen hebben. Het klinkt bizar, maar elektronen in atomen en moleculen kunnen op twee plaatsen tegelijk zijn, of zowel met de klok mee als er tegenin draaien. Volgens de wetten van de kwantummechanica geldt dus niet of-of, maar en-en. De bits in een kwantumcomputer (qubits), kunnen op een en hetzelfde moment 0 en 1 zijn. Dat maakt het mogelijk om een berekening, die normaal gesproken uit elkaar opvolgende stappen bestaat, in één keer uit te voeren.
Over de ERC Synergy Grant
De ERC Synergy Grant is een zeer competitieve nieuwe subsidie voor samenwerkende topwetenschappers. Van de ruim 700 aanvragen die begin 2012 werden ingediend zijn na drie selectierondes uiteindelijk slechts 2% in de prijzen gevallen.
Simulatie-instrument
Maar een kwantumcomputer is veel meer dan een supersnelle computer. Hij heeft geen last van de klassieke natuurwetten die de huidige computers in hun mogelijkheden beperken. Daardoor kan hij dienst doen als simulatie-instrument dat een compleet nieuwe manier van materiaalontwerp mogelijk maakt. Een kwantumcomputer kan ook helpen om een manier te vinden om supergeleiding op kamertemperatuur te laten optreden. Dat maakt energietransport zonder energieverlies mogelijk. Biologen kunnen met een supercomputer voorspellen hoe eiwitten zijn opgevouwen en die kennis gebruiken voor medische toepassingen.
Decoherentie
Een kwantumcomputer bouwen is uiterst moeilijk omdat de toestand waarin een deeltje twee eigenschappen tegelijk kan hebben uiterst fragiel is. Er hoeft maar dát te gebeuren en de zogenoemde staat van superpositie is verstoord. De belangrijkste vraag is dus: hoe zorg je ervoor dat dit niet gebeurt? Het is al moeilijk genoeg om dat bij één qubit te bewerkstelligen, laat staan in het circuit van duizenden tot miljoenen qubits waaruit een kwantumcomputer is opgebouwd. Als maar één van die qubits ten prooi valt aan decoherentie is dat al genoeg om de gehele kwantumberekening te laten mislukken. Dat is dus de grote uitdagingen waarvoor de onderzoekers zich zien gesteld: een enorm complex systeem bouwen waarin het nog steeds mogelijk is om gebruik te maken van tere kwantumsuperposities.
(5 december 2012 - HP/DS)
Zie ook
Fundamentals of Science is een van de profielthema’s in het onderzoek van de Universiteit Leiden.