Quantummechanica is niet te begrijpen. Professor Leo Kouwenhoven, die van het vakgebied zijn levenswerk maakte, snapt het zelf ook niet. Wat hij wel weet, is dat de quantumcomputer die hij aan het ontwikkelen is in het net geopende Quantum Lab in Delft de wereld gaat veranderen.
De quantumcomputer, waar momenteel hard aan wordt gewerkt in het splinternieuw Quantum Lab in Delft, wordt krachtiger dan elke supercomputer die ooit heeft bestaan. Dankzij de unieke werking van quantummechanica kan deze computer in een mum van tijd berekeningen doen waar gewone computers uren of dagen voor nodig hebben. Zo kan de computer de opwarming van de aarde, overbevolking, voedseltekort en kanker helpen bestrijden.
De wetten van de natuur
De quantumcomputer werkt volgens de regels van de natuur, dat maakt hem zo krachtig. De natuur zit vol raadsels, net als de quantummechanica. Professor Leo Kouwenhoven vergelijkt deze zoektocht met het maken van een vliegtuig. ,,Toen wisten we ook dat het moest kunnen, want we zagen vogels vliegen. We wisten alleen niet hoe. Zo verloopt onze zoektocht ook. We zien hoe de natuur werkt en proberen de wetten van de natuur te verwerken in de computer.”
Proberen te begrijpen hoe quantummechanica werkt, is onmogelijk. Kouwenhoven begrijpt het zelf ook niet. ,,Het enige dat we kunnen doen is uitgaan van kansberekeningen en metingen.” Een van de weinige zekerheden in de wereld van de quantummechanica is dat het majoranadeeltje nodig is voor de bouw van een quantumcomputer. Jarenlang dacht men dat dit deeltje niet bestond, tot Kouwenhoven in 2012 die assumptie onderuit haalde. Sindsdien is het maken van een quantumcomputer een haalbaar doel.
We zien hoe de natuur werkt en proberen de wetten van de natuur te verwerken in de computer
Professor Leo Kouwenhoven
De quantumrace
Kouwenhovens ontdekking markeerde het begin van de quantumrace. Wereldwijd werden miljoenen uitgetrokken om deze krachtige supercomputer tot leven te brengen. In het Quantum Lab in Delft staan peperdure machines die onderzoekers moeten helpen in hun zoektocht. De grootste machine is tien miljoen euro waard en maakt nanodraden zichtbaar, die de onderzoekers nauwkeurig op hun plaats kunnen zetten. Gehuld in pakken, zodat geen stofje hun werk kan bederven, plaatsen ze chips voorzichtig in een koelkast met gouden plaatjes die werkt op helium.
Als je ze vraagt of ze niet liever buiten in de echte wereld werken dan hier binnen in een lab, kijken ze je aan met een glimlach die medelijden uitdrukt. Want zij weten: de quantumwereld is de echte wereld. Het is hoe de natuur werkt. Zonder quantummechanica zou een blad niet groen zijn en zouden onze lichamen in het niets uit elkaar vallen. Wij bestaan namelijk allemaal uit nanodeeltjes die op de een of andere manier in verbinding met elkaar staan. Die deeltjes, dat is de quantumwereld en dus de basis van alles wat we zien.
Maar de zoektocht naar de quantumcomputer is een lang proces vol tegenslagen. ,,Soms werken we maandenlang aan iets zonder resultaat”, zeggen de onderzoekers. ,,Of iemand doet iets waardoor al het resultaat van de afgelopen maanden teniet wordt gedaan. Een klein stofje of miscalculatie kan al roet in het eten gooien, want het gaat om nanodeeltjes. Reken maar dat iedereen dan heel boos is op diegene. Maar we werken samen als een team, dat maakt het net zo fijn.”
In Kopenhagen zoekt QDev, een team onderzoekers onder leiding van Charles Marcus, met dezelfde middelen naar dezelfde oplossingen. Beide teams wisselen waardevolle informatie uit, maar blijven elkaars tegenstander in de quantumrace.
Over het grotere doel van hun werk, de quantumcomputer, denken de onderzoekers niet echt na. ,,Elke stap die we zetten is al een enorme technische uitdaging en een minuscule vooruitgang in de bouw van de computer. We vieren dus kleine overwinningen en werken niet naar een enkel doel toe.”
Onvoorspelbaar
Omdat de computer zich als de natuur gedraagt, is hij zo krachtig, maar ook onberekenbaar. ,,De natuur kan alleen maar gemeten worden op basis van kansberekening, niet met deterministische voorspellingen”, vertelt Kouwenhoven. Het is niet te voorspellen wat de quantumcomputer gaat doen, we weten alleen dat de wereld zoals wij die kennen nooit meer hetzelfde zal zijn. De quantumcomputer heeft antwoorden op vragen waar wetenschappers zich al jaren over buigen.
,,Dat we op twee plaatsen tegelijkertijd kunnen zijn, is filosofisch gezien onbegrijpelijk”, zegt Leo Kouwenhoven. ,,Maar we hebben de formules en het bewijs dat het werkt.”
Zullen het dus toch de computers zijn die de wereld gaan redden? Prins Constantijn, namens Start Up Delta met Microsoft werkt aan het verstevigen van de positie van Nederland op het gebied van quantumtechnologie, vindt het belangrijk om het onderzoek vanuit verschillende disciplines te benaderen. ,,Op termijn moeten ook science-fictionschrijvers, filosofen en wetenschappers zich bezighouden met de mogelijke gevolgen van de quantumcomputer voor de maatschappij”, zegt hij.
Volgens Kouwenhoven gaat het niet om macht, maar om antwoorden. Omdat de informatie op verschillende plaatsen tegelijkertijd kan zijn, kunnen berekeningen sneller uitgevoerd worden dan ooit tevoren en kunnen complexe vraagstukken opgelost worden. De gezondheidszorg, het bedrijfsleven en de economie zullen daardoor onomkeerbaar veranderen. We weten niet hoe het gaat veranderen, maar dat het dat gaat doen, is zeker. Overigens laat hij het oplossen van wereldproblemen over aan anderen. Kouwenhoven wil de quantumcomputer straks vooral gebruiken in de sterrenkunde.
Volgens Kouwenhoven moeten we ons niet te druk maken om doemscenario’s. ,,Elke vooruitgang is onvoorspelbaar. Niemand heeft kunnen voorspellen wat voor een impact het internet op ons leven zou hebben.” Angst voor de mogelijke gevolgen van technologische ontwikkelingen is van alle tijden, wil Kouwenhoven er maar mee zeggen. Maar dat moet de vooruitgang niet tegenhouden. Een computer met zoveel macht, is dat niet gevaarlijk? Als een quantumcomputer kapot gaat, hebben we een andere krachtige computer nodig om het probleem op te lossen. De werking van de computer zou het menselijk verstand namelijk te boven gaan. Moeten we gaan leunen op een machine die we zelf niet begrijpen?
De quantumcomputer is bedoeld om maatschappelijke vraagstukken op te lossen, zoals de opwarming van de aarde en het genezen van kanker, maar kan ook voor andere doeleinden gebruikt worden. Het kraken van wachtwoorden en codes is namelijk geen probleem. Daarom ontwikkelt men nu al een encryptie in een taal die de quantumcomputer niet begrijpt, waarin de wachtwoorden opgeslagen kunnen worden, om zo privacy te garanderen.
Ecosysteem
Deze post quantum encryptie is door sommige bedrijven al geïmplementeerd. Dat is voor prins Constantijn het grote doel van het Quantum Lab. ,,Elke stap in het onderzoek kan nu al bedrijven helpen en invloed uitoefenen op onze economie, gezondheidszorg en de maatschappij”, zegt hij. ,,We moeten het niet zien als een lineair proces met één doel, maar als een ecosysteem. Zo kunnen bedrijven chips gebruiken en kunnen andere ontdekkingen bruikbaar zijn in de gezondheidssector. Het gaat niet om het doel, maar de weg ernaartoe.”
Het gaat dus om de kleine overwinningen, want net als de onderzoekers van Microsoft denkt Prins Constantijn dat die weg lang wordt. ,,Er moeten nog veel machines gebouwd en theorieën bewezen worden voor we echt een quantumcomputer in handen hebben.”