Vanuit verschillende disciplines werken onderzoekers van de Universiteit Leiden samen aan innovatieve oplossingen voor maatschappelijke problemen. U vindt hier een voorbeeld op het gebied van fundamentele wetenschappen.

Overzicht wetenschap in de spotlight

De Quantumcomputer

Bouwstenen voor een revolutionair rekenapparaat

De wereldwijde race naar de quantumcomputer is in volle gang. Deze computer kan rekenklussen aan waarvan we nu alleen maar dromen, zoals het razendsnel vinden van eiwitten die als medicijn kunnen dienen. Leidse natuurkundigen ontdekten hoe je het Majorana-deeltje als bouwsteen voor deze quantumcomputer zou kunnen inzetten. Samen met onderzoeksgroepen in Delft hopen zij de eerste quantumcomputer ter wereld te bouwen.

Barrière voor de klassieke computer

In een mobieltje zit tegenwoordig meer rekenkracht en geheugen dan in een supercomputer uit de jaren zeventig, en die ontwikkeling gaat nog steeds door.  Toch loopt dit type 'klassieke' computer tegen een onoverkomelijke barrière aan. Een bekend voorbeeld van zo’n barrière is de kortste route tussen steden. Voor twintig steden kan een klassieke computer nog alle mogelijke routes nalopen, maar met iedere stad erbij verveelvoudigt het aantal routes. Al bij honderd steden zou het eeuwen duren om de kortste route te vinden.

Een quantumcomputer vindt de kortste route niet door van alle routes de lengte te bepalen, maar door ze allemaal in één keer met elkaar te vergelijken, waarna de kortste er vrijwel meteen uit rolt. Het klinkt als tovenarij, maar het is bewezen dat dit in principe kan.
Dit geldt voor veel wetenschappelijke berekeningen: we weten hoe het moet, maar het aantal mogelijkheden wordt voor een klassieke computer al snel te groot. Als die barrière wegvalt, kunnen we gaan uitrekenen welk molecuul het perfecte geneesmiddel is voor een ziekte. Of welk materiaal bij kamertemperatuur nog supergeleidend is, wat een enorme impact zou hebben op onze energievoorziening. Ook zouden we in veel gevallen zeer dure experimenten kunnen vervangen door veel goedkopere, bijna perfecte quantumcomputersimulaties.

De ontwikkeling van de quantumcomputer is de laatste jaren in een stroomversnelling geraakt, en veel deskundigen denken nu dat deze in een jaar of tien gebouwd kan worden. Leidse natuurkundigen onderhouden intensieve contacten met QuTech, een groot samenwerkingsverband van Delftse onderzoeksgroepen dat wordt gesponsord door Microsoft. Leiden vormt als het ware de denktank voor de futuristische quantumfabriek QuTech.

Zoeken naar de ideale qubit

Voor de klassieke computer is de kleinste informatie-eenheid de bit, die de waarde 0 of 1 heeft. Fysiek kan een bit een elektronisch schakelaartje zijn dat aan of uit staat. Elke moderne chip bevat er miljoenen. De quantumcomputer rekent echter met qubits, die – in een variabele mix – de waarde 0 én 1 hebben. Een qubit is iets waar het gezond verstand niet bij kan; het is een product van de bijna magische quantumwereld.  

Goed functionerende qubits vormen de sleutel tot de quantumcomputer. In Leiden wordt onderzoek gedaan naar meerdere types, zoals de qubit gevormd door een paar Majorana-deeltjes, en de qubit die bestaat uit één elektron dat gevangen zit in een microscopisch klein kooitje, een quantum dot.
De quantumcomputer bevat supergeleidende onderdelen, waar elektrische stroom zonder enige weerstand doorheen loopt. Dat lukt alleen bij temperaturen rond de 270 graden onder nul. De Leidse natuurkunde heeft van oudsher veel expertise met supergeleiding en het werken bij zulke extreem lage temperaturen.

Kraken van geheimschriften

Alleen al de mogelijkheid dat een quantumcomputer ooit gebouwd wordt heeft al impact. Een veelgebruikt, nu nog niet te ontcijferen geheimschrift, RSA, is door de quantumcomputer in een mum van tijd te kraken. Geheime diensten weten dat ook, en slaan afgeluisterde, RSA-versleutelde data op. Dus kan je RSA nu al niet meer gebruiken voor data die je nog tien jaar of langer geheim wilt houden.   

Als wetenschappers er in slagen de quantumcomputer te bouwen, wordt het geen concurrent van de PC of de tablet. Theoretisch fysicus Carlo Beenakker: 'Het zal een enorm apparaat worden, ter grootte van een sporthal, en hij zal een paar miljard euro kosten. Maar dat is geen probleem, dat kost een fabriek voor computerchips nu ook, en die worden ook gebouwd.'