ERC Advanced Grant voor Carlo Beenakker om Majorana-deeltjes te 'vervlechten'
Theoretisch fysicus Carlo Beenakker krijgt zijn tweede Advanced Grant van de European Research Council (ERC). Met deze beurs van 2 miljoen euro gaat hij proberen de ideale bouwsteen voor een quantumcomputer te realiseren, namelijk 'vervlochten' Majorana-deeltjes. Een gewaagd project, met uitzicht op een grote doorbraak. In 2009 kreeg Beenakker ook al een Advanced Grant. Het is zeer uitzonderlijk dat deze grant twee keer aan iemand wordt toegekend.
Wereldwijd zijn onderzoekers verwikkeld in een wedloop om de eerste quantumcomputer te bouwen. Software-gigant Microsoft, bijvoorbeeld, steekt honderden mijloenen euro's in het Delftse onderzoeksinstituut QuTech. Carlo Beenakker en zijn groep van theoretisch fysici fungeren als de denktank van QuTech, om nieuwe concepten voor de quantumcomputer te ontwikkelen.
'Klassieke' computers – die iedereen in huis en in zijn smart phone heeft - verwerken informatie waarvan de kleinste bouwstenen bits zijn. De waarde van een bit is 0 of 1, en je kunt dat fysiek weergeven als een schakelaartje dat 'aan' of 'uit' staat. Elke computerchip bevat miljoenen van die schakelaartjes.
Honderd qubits
Maar de bouwstenen van informatie waar een quantumcomputer mee werkt, zijn qubits, waarvan de waarde een mix van de waardes 0 en 1 tegelijk is. Deze vreemde, maar quantumtheoretisch goed bekende eigenschap zorgt ervoor, dat een quantumcomputer met slechts een stuk of honderd qubits in theorie krachtiger is dan de grootste supercomputer waar we nu over beschikken.
Een qubit kan bijvoorbeeld bestaan uit één elektron dat gevangen zit in een microscopisch klein kooitje. Het grote probleem is echter dat dit type qubit zeer gevoelig is voor storingen. Eén trillinkje of sprankje licht kan de qubit reduceren tot een gewone bit met de waarde 0 of 1, en dan komt er van quantumberekeningen niets meer terecht. Niettemin wordt er al geëxperimenteerd met setjes van twintig van deze qubits.
Radicaal andere weg
De hoop is, om dit aantal geleidelijk aan uit te breiden totdat ooit een functionerende quantumcomputer ontstaat. Beenakker kenschetst deze aanpak als: ‘Heel hard werken en langzaam vooruitgang boeken.’ Beenakkers voorstel dat nu een ERC Grant gekregen heeft, slaat een gedurfde, radicaal andere weg in, door in te zetten op qubits die bestaan uit 'vervlochten' Majorana-deeltjes (braided is de vakterm). High-risk/high-reward heet dat in zijn onderzoeksvoorstel: áls het lukt, betekent dat een grote sprong voorwaarts die de andere, geleidelijke aanpak meteen inhaalt.
Halve elektronen
Majorana-deeltjes zijn spookachtige deeltjes die kunnen ontstaan in ultra-koude, supergeleidende materialen. Dit is in 2012 voor het eerst aangetoond door de groep van Leo Kouwenhoven in Delft, wat destijds wereldnieuws was. Majorana-deeltjes treden altijd in paren op, het zijn in zekere zin twee halve elektronen. In Kouwenhovens opstelling zitten deze twee helften vast op de uiteinden van een microscopisch klein stukje supergeleidend metaal. Majorana-deeltjes zijn sowieso beter bestand tegen verstoring, en daarom in principe geschikt als qubit, maar de afgelopen jaren bleek het lastiger dan verwacht om met deze vastzittende Majorana's werkende qubits te maken.
Topologische qubits
Beenakker wil nu nog een stap verder gaan, door 'topologische' qubits te maken uit vervlochten Majorana's. Uit theoretisch onderzoek was al bekend, dat een stroomstootje de twee helften van een Majorana van plaats kan laten verwisselen. In een grafiek van hun positie, uitgezet tegen de tijd, zie je dan twee vervlochten 'wereldlijnen' (zie afbeelding). Het verwisselen van plaats verandert de topologie van de situatie. Dit is in theorie een zeer robuuste manier om de informatie van een qubit vast te leggen, terwijl meerdere qubits toch met elkaar kunnen communiceren – wat nodig is om een quantumcomputer berekeningen te laten uitvoeren.
ERC Advanced Grant
Jaarlijks worden door de Europese Unie ongeveer tweehonderd ERC-beurzen - met een looptijd van vijf jaar - toegekend aan excellente onderzoekers in alle wetenschapsgebieden. Beenakker zal de 2 miljoen euro vooral besteden aan het aanstellen van promovendi en postdocs. Beenakker: ‘De theoretische uitwerking zal zeker binnen vijf jaar klaar zijn. En binnen die termijn een prototype bouwen in het lab is mogelijk ook haalbaar.’ Dat zou een doorbraak zijn in de ontwikkeling van de quantumcomputer.