Over elegante deeltjes en nanometers
Hij heeft wel een antwoord op de vraag wat het kleinste deeltje is. Carlo Beenakker, hoogleraar Theoretische natuurkunde aan de Universiteit Leiden: ‘Dat is een puntdeeltje. Zo’n deeltje is altijd nul. Elektronen zijn puntdeeltjes; ze zijn zo klein dat je ze niet kapot kunt slaan.’ Maar: Beenakker geeft leiding aan de Nanophysics groep. En de nanowetenschap gaat, zo zegt hij, niet over het kleinste deeltje. ‘Die gaat over de kleinst mogelijke schakelingen.’
Piepklein zijn ze, nanometers: niet groter dan een miljoenste millimeter, honderdduizend keer dunner dan een haar. Fabrikanten troeven elkaar af met de kleinste nanometerchip; IBM heeft het record in handen met een chip niet groter dan 5 nanometer. Waarom moet het zo vreselijk klein? Hoe kleiner de schakelingen zijn, hoe meer er op een chip kunnen, hoe sneller die chip kan rekenen, hoe krachtiger ze wordt, en hoe meer bijvoorbeeld je smartphone kan. En dat willen we graag.
Maar we stuiten een keer op een grens, legt Beenakker uit: ‘Ga dat maar eens solderen, zulke dunne draadjes. Dat is lastig. Er mag geen kortsluiting ontstaan, de draadjes mogen niet kapotgaan, alles moet blijven werken...’ Er is ook nog een ander probleem: ‘Al die draadjes produceren warmte. Hoe meer je ze op elkaar propt, hoe warmer het wordt, en hoe moeilijker het wordt om die warmte af te voeren. Het urgentste probleem met computers is niet dat ze niet snel genoeg zijn, maar dat ze enorm veel energie verbruiken. Vijf procent van het energieverbruik in Nederland gaat op aan het koelen van computers in grote datacentra van grote bedrijven.’
Een oplossing voor dit probleem: de quantumcomputer. Die maakt geen gebruik van gewone elektrische velden die warmte produceren, maar van quantummechanica, de natuurkundige theorie die de microscopische wereld van atomen en elektronen beschrijft. Terwijl een gewone computer werkt met nullen en enen, kan een quantumcomputer veel efficiënter werken: met kleine deeltjes die tegelijk nul en een zijn. ‘Dat is lastig te begrijpen omdat het tegen-intuïtief is,’ zegt Beenakker, ‘maar we snappen er voldoende van om het te kunnen toepassen. We kunnen er sommen mee maken, dingen uitrekenen, voorspellen.’
Dankzij die ’dubbele gedaanten’ kan een quantumcomputer in relatief korte tijd heel ingewikkelde rekenproblemen oplossen op een manier die minder energie verbruikt. Zo kan ze de huidige computer op snelheid en duurzaamheid verslaan, hopen wetenschappers. Zo’n computer kan dus onvoorstelbaar grote hoeveelheden big data verwerken – of niet? ‘Dat is niet de meest voor de hand liggende toepassing,’ zegt Beenakker. ‘Data behoren tot de gewone wereld, dat zijn wij. De quantumwereld is de wereld van de elektronen. Enzymen en DNA, dat is de quantumwereld, daar vinden chemische reacties plaats.’
Quantumtechnologie zou het mogelijk moeten maken om voor mensen personalised medicine te ontwikkelen, zegt hij: ‘Vliegtuigen kunnen we helemaal op de computer ontwerpen, daar hebben we geen windtunnel meer voor nodig. Het zou mooi zijn als dat met medicijnen ook mogelijk wordt. Want dan kun je, omdat het zo snel kan, op een kosteneffectieve manier medicijnen maken die veel beter op het individu zijn toegesneden dan de huidige.’
Lees het volledige interview met Carlo Beenakker in de nieuwste editie van ons alumnimagazine Leidraad >