De robuuste qubit: het Zen-deeltje
Theoretisch fysicus Carlo Beenakker kwam een paar jaar geleden de Majorana-deeltjes op het spoor en inspireerde Leo Kouwenhoven van de TU Delft om ze te creëren in een supergeleidende nanostructuur. In 2012 lukte dit inderdaad, en dat was wereldnieuws. Maar er is nog veel werk nodig om meerdere Majorana-qubits te laten samenwerken.
Majorana-deeltjes: robuust en verstrengeld
Een volwaardige quantumcomputer heeft minstens een stuk of honderd samenwerkende qubits nodig om berekeningen te doen waar een gewone computer niet aan kan tippen. Individuele qubits die een mix van de waardes 0 en 1 tegelijk kunnen aannemen bestaan al, in diverse types zelfs. Het grote probleem is dat deze qubits uiterst gevoelig zijn voor storingen. Als één trillinkje of sprankje licht de qubit bereikt, vervalt de qubit tot een ordinaire bit die of 1, of 0 is. Je moet ze dus heel goed isoleren van de omgeving zolang de berekening duurt.
En toch moeten de qubits innig met elkaar verbonden zijn (natuurkundigen spreken van 'verstrengeld'), anders werkt de quantumcomputer niet en heb je niet meer dan een gewone computer. Majorana-deeltjes voldoen aan deze tegenstrijdige eisen. Ze zijn relatief robuust, maar toch vrij makkelijk te verstrengelen en daarna van buitenaf te manipuleren.
De kunst van het Niets
Beenakker: 'Ik noem het altijd het Zen-deeltje. Zen is de kunst van het niets. Het Majorana-deeltje is ook 'niets', het heeft geen lading en geen massa. En toch kun je er quantuminformatie in opslaan.' Majorana’s komen voor aan de beide uiteinden van een minuscuul, supergeleidend draadje. Vandaar dat Majorana's altijd in paren voorkomen. Toen de groep van Kouwenhoven in 2012 voor het eerst aantoonde dat in hun supergeleidende nanostructuur Majorana-deeltjes ontstaan, was dat wetenschappelijk wereldnieuws: de theorie van het bestaan van Majorana’s was nu in de praktijk bewezen. Maar het was slechts de eerste stap. Er moest nog worden uitgedacht hoe je meerdere Majorana-qubits met elkaar verstrengelt en hoe je de data er naar wegschrijft en na de quantumberekening weer uitleest.
Architectuur van de quantumchip
Dit is wat Beenakkers promovendus Bernard van Heck de afgelopen jaren heeft gedaan. In zijn proefschrift ontwerpt hij tot in detail de architectuur van een chip die met Majorana-qubits berekeningen kan doen. Het manipuleren van de qubits gebeurt met elektrische en magnetische technieken die al worden toegepast in andere supergeleidende elektronica. Omdat die technieken al bestaan, maakt dat het makkelijker om snel een werkend protoype te bouwen.
Software-reus Microsoft investeert miljoenen euro's in Q-tech, de Delftse 'fabriek' – in feite een conglomeraat van onderzoeksgroepen, waaronder die van Kouwenhoven – waar potentiële onderdelen voor de quantumcomputer worden gebouwd en getest. Leiden fungeert als denktank voor Q-tech, waarbij er intensief contact is tussen Leidse en Delftse quantumonderzoekers. Onderdelen van Van Hecks chip zijn in Delft al getest, maar om alle ontwerpen in zijn proefschrift te bouwen en te testen is nog een paar jaar nodig.
Beenakker: 'Je kunt diverse strategieën volgen om een quantumcomputer te bouwen. Ofwel je neemt iets wat men al kon, en probeert dat een factor honderd op te schalen. Ofwel je pakt iets op wat conceptueel helemaal nieuw is. Beide strategieën hebben hun voors en tegens, maar wij focussen ons bij Theoretische Fysica op dit laatste, dus op Majorana-deeltjes.'