Quantum Computers

De toekomst van computer

Richard Feynman stond bekend om zijn wilde, briljante ideeën. Maar toen de fameuze fysicus twintig jaar geleden opperde een quantumcomputer te bouwen, werd hij wat meewarig aangekeken. Computers en quantummechanica, dat ging niet samen. Rekenapparaten moesten het hebben van duidelijkheid, van 0 of 1, ja of nee, niet van de vage waarschijnlijkheden van de quantumtheorie. Als je een quantumcomputer zou vragen hoeveel 1 en 1 is, zou hij zeggen: ik denk 2, maar ik weet het niet zeker.

Neem het standaardvoorbeeld waar quantumboeken mee beginnen: het twee-spletenexperiment. Als je knikkers laat vallen op een plaat met twee gaten erin, zullen er achter die twee gaten twee hoopjes knikkers ontstaan. Met elektronen gaat dat anders. Dan krijg je geen hoopjes te zien maar een veel weidser patroon met verspreide, kleinere hoopjes, hetzelfde (interferentie)patroon dat je krijgt als je licht op een scherm met twee gaten laat schijnen.

De quantumtheorie heeft dit fenomeen succesvol verklaard door aan te nemen dat het elektron niet hoeft te kiezen tussen de twee gaten. Het gaat niet door het linker- óf rechtergat, het gaat door allebei. Het splitst zichzelf als het ware op in twee 'vage' elektronen.

Dit vage karakter schrikte Feynman niet af, het bracht hem juist op het idee. Het was bekend dat elektronen de functie van de bits in een computer konden overnemen. Elektronen hebben bijvoorbeeld een spin, zeg maar dat ze om hun as draaien. Beschouw nu een linksomdraaiend elektron als een nul en een rechtsomdraaiend exemplaar als een één: dan is daar mee te rekenen. Wacht eens, zei Feynman, als een elektron zich kan opsplitsen in twee of meer vage elektronen, kunnen die ook allemaal apart rekenen. Dan is het sommetje veel eerder af.

Leuk bedacht, reageerden de collega's, maar er zaten twee addertjes onder het gras. Met één elektron viel niet te werken, het moesten er minstens een paar duizend zijn en het was de vraag of die quantumvaagheid ook bij die aantallen bestond. Bovendien zei de quantumtheorie dat de vaagheid verdween als iemand het elektron probeerde waar te nemen. Het kan dus niet, Feynman: op het moment dat jij de uitkomst van jouw quantumcomputer wil aflezen, verdwijnen die vage rekenapparaatjes als sneeuw voor de zon.

En toch kan het. Nog steeds twinkelen de ogen van Hans Mooij, hoogleraar natuurkunde aan de Technische universiteit Delft, als de vinding van zijn groep ter sprake komt. ,,Vijf jaar geleden begon ik over de quantumcomputer na te denken'', vertelt hij. ,,Een jaar later startten we het onderzoek. Onze eisen waren hoog: we wilden iets maken waarmee ook echt te werken viel.''

Sinds een jaar of twee ligt ie er dan, de Delftse quantumbit, of qubit, zoals de rekeneenheid van de quantumcomputer meestal wordt genoemd. Het is een onooglijk klein dingetje: een aluminium stroomkring ter grootte van enkele duizendste millimeter. De Delftenaren koelen hem tot bijna het absolute nulpunt (273 graden onder nul) en zetten er dan een magneetveld op. In het kringetje gaat een elektrische stroom lopen die het magneetveld moet compenseren.

Maar in deze koude toestand geldt de quantumwet dat die compensatie alleen in brokstukken - quanta - kan worden verkregen. En wat doet Mooij? Hij biedt een half quantum aan: het kringetje weet niet te kiezen tussen 0 en 1, met als gevolg dat er een stroom linksom gaat lopen én een stroom rechtsom. Let wel, het is niet zo dat sommige elektronen de ene kant op stromen en de andere de andere kant op. Nee, lle elektronen stromen tegelijk links- en rechtsom.

Dit is een goed gedefinieerd quantumsysteem, legt Mooij uit. ,,Bovendien kunnen we de qubits met microgolven manipuleren. We kunnen er dus mee rekenen. De derde voorwaarde is dat je aan het systeem moet kunnen meten; je moet de uitkomst kunnen aflezen. Daar werken we nu aan.''

Mooij heeft zijn qubit via zogeheten Josephson juncties gekoppeld met een tweede ring die er omheen loopt. Het 'dubbele' quantumstroompje in de binnenring wekt een stroom op in de buitenring en die laatste meet Mooij. Dat is makkelijker gezegd dan gedaan. ,,De eerste pogingen mislukten, de quantumeigenschappen gingen verloren. Maar nu hebben we een meter ontwikkeld die we heel snel aan en uit kunnen zetten. Zo snel dat we de uitslag kunnen aflezen voor het systeem instort.''

Eén qubit maakt nog geen quantumcomputer. Het wordt pas wat als de qubits kunnen samenwerken en elkaar beïnvloeden. De oplossing voor dit probleem heet verstrengeling. Als twee quantumsystemen aan elkaar gekoppeld zijn, bijvoorbeeld doordat ze samen een behouden eigenschap bezitten, dan geeft het ene systeem een verandering automatisch door aan het andere.

Maar hoe leg je die verstrengeling aan bij vele duizenden qubits? Mooij heeft er een idee voor: ,,Neem een oppervlak met allemaal qubits en leg daar een ruitjesstructuur over met Josephson juncties. Door nu twee horizontale en twee verticale lijnen met de juncties aan te sluiten koppel je twee qubits. Op die manier kun je heel snel door het systeem fietsen. Probleem is wel dat het op deze schaal allemaal heel subtiel is.''

Of de quantumcomputer volgens deze principes gebouwd gaat worden, is nog maar de vraag. Er zijn in de wereld meer Mooijs met werkbare ideeën en het is geen uitgemaakte zaak wie over een jaar of vijfentwintig als winnaar uit de bus zal komen.

Mooij tempert daarnaast ook het enthousiasme over wat deze machine eventueel zal kunnen. ,,De quantumcomputer zal andere computers niet verdringen. Hij is hooguit in bepaalde processen heel erg goed. In het ontbinden van grote getallen in factoren bijvoorbeeld, een rekenkunst die belangrijk is bij het versleutelen en decoderen van pincodes. Het is een hele toer om de siliciumcomputers daarin een factor duizend sneller te maken. Als de quantumcomputer het huidige niveau haalt, hoeft hij maar een tandje bij te zetten voor die factor duizend.''

Waar de quantumcomputer ook goed in zal zijn, is zoeken naar een naald in een hooiberg. Als een gewone computer iets in een berg willekeurige gegevens moet zoeken, kan hij niet anders dan gewoon vooraan beginnen. Mooij: ,,Hij moet elk doosje apart openmaken. De quantumcomputer kijkt in alle doosjes tegelijk.''

bron: Trouw.nl

De kwantumcomputer (nog niet te koop bij de kwamtum! )
De race naar snellere chips wordt voornamelijk gestuurd door pogingen chips kleiner te maken. Hoe kleiner de individuele schakelaars (transistoren en relais) hoe meer er in een processor passen. Meer schakelingen betekent een grotere capaciteit, maar ook een snellere processor. Componenten die dicht op elkaar zitten verliezen minder tijd bij het doorgeven van informatie in de vorm van elektrische stroom.
Maar de grenzen van het niveau waarop een elektrische stroom zich nog volgens de klassieke elektrodynamica gedraagt, komen rap in zicht. Laboratoria in de hele wereld experimenteren daarom met het idee gebruik te maken van de kwantummechanica om berekeningen uit te voeren. De kwantummechanica bestudeert het gedrag van subatomaire deeltjes zoals elektronen in de schil van een atoom. Elektronen rond de kern van atoom draaien op twee mogelijke manieren rond hun as; dit noemt met opgaande en neergaande spin. In principe is dat gegeven te gebruiken om informatie mee door te geven, net als de 1 en 0 schakelaars in een klassieke computer. Maar daarvoor moet de spin onder controle worden gebracht. En daar beginnen de problemen.
 
Eén van de regels in de kwantummechanica is dat een meting de eigenschappen van een subatomair deeltje beïnvloedt. In welke toestand een elektron zich bevindt, wordt bepaald op het moment van meten. Op alle andere momenten is de positie en de richting van de spin onbekend. Dat betekent dat in een gegeven situatie een elektron zich ergens tussen de opgaande spin (1) en neergaande spin (0) bevindt. Deze informatie-eenheid in een kwantumcomputer wordt een qubit genoemd. Theoretisch is het zo dat zolang de toestand van een elektron niet wordt gemeten het aantal posities dat het kan aannemen oneindig groot is.
Met dat gegeven is een kwantumcomputer te maken want een andere kwantummechanische regel zegt dat qubits door interferentie met elkaar in verbinding staan. Een verandering in één qubit geeft dan een reactie in een andere. De geschakelde qubits zouden zo oneindig veel berekeningen tegelijk moeten kunnen uitvoeren. Slimme rekenmethodes moeten worden ingezet om de qubits aan te sturen.

Her en der in de wereld is het gelukt met enkele qubits eenvoudige berekeningen uit te voeren. Maar tussen de theorie en de grootschalige praktische toepassing van qubits gaapt een enorm gat. Zo zijn de kwantumeenheden zeer gevoelig voor storing van buitenaf. Botsingen tussen moleculen, straling of een lichtdeeltje werken als een ‘meting’, en de qubit neemt een positie aan en er gaat rekencapaciteit verloren.
De kans dat huis- tuin en keukenapparaten snel met kwantum- of DNA-computers zullen worden bestuurd, is erg klein. De ‘nieuwe’ supercomputers zullen, als ze er al komen, worden ingezet voor grote rekenopdrachten zoals in klimaatmodellen, in de astronomie en bij het beveiligen van digitale codering.

Zie bijgevoegde figuur: Theoretisch bevindt een elektron zich altijd ergens tussen een opgaande spin (1) en neergaande spin (0) (links). Net als in de klassieke chip (rechts) is daarmee informatie te verwerken (bit). In het kwantumrekenen heet dat een qubit.