De Majorona-deeltjes verschijnen alleen aan de randen van materiaal, vergelijkbaar met de rode gloed die ontstaat aan de horizon als de zon opkomt.
Een fascinatie voor het fragiele Kan het onzichtbare gebruikt worden voor een supercomputer?
Het klinkt als een sciencefictionverhaal: een computer die oneindig veel sneller kan rekenen dan de meeste geavanceerde computer die we momenteel kennen. Maar de ontwikkelingen gaan hard. ‘Het zal de wereld veranderen op een manier die we nog niet kennen.’
DOOR BERIT SINTERNIKLAAS Bij het overmaken van geld van de ene rekening naar de andere wordt de informatie over de transactie gecodeerd verstuurd. In de toekomst zal de gecodeerde informatie niet meer zo raadselachtig zijn. De kwantumcomputer is in aantocht. Deze computer kan de huidige algoritmen die worden gebruikt om informatie te coderen met gemak ontcijferen. Deze controversiële toepassing is voornaamste reden dat er militaire organisaties miljoenen euro’s in het onderzoek naar deze supercomputers pompen.
Maar hoe dichtbij zijn we bij de realisatie van zo’n computer? Theoretisch natuurkundige Anton Akhmerov promoveerde aan het Lorentz-instituut op onderzoek naar de toepassing van speciale deeltjes die kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van kwantumcomputers. Deze zogeheten Majorona-deeltjes verschijnen alleen aan de randen van materiaal. Akhmerov: ‘Je kunt het vergelijken met de rode gloed die ontstaat aan de horizon als de zon opkomt. Deze gloed zie je alleen op het punt waar de aarde overgaat in lucht.’
Majorana-deeltjes zijn speciaal omdat ze geen lading, geen massa en geen energie hebben. Dat is dan ook meteen een van de grootste problemen bij de ontwikkeling van een kwantumcomputer. Majorana-deeltjes zijn onzichtbaar. Hoewel ze nog nooit zijn waargenomen, weet Akhmerov zeker dat ze bestaan. ‘Je kunt uitrekenen dat ze moeten bestaan. Ze zijn echter heel fragiel. Er moeten speciale omstandigheden zijn voor deze deeltjes om te ontstaan.’ Met zijn onderzoek probeert hij twee vragen te beantwoorden. Is het mogelijk om ze waar te nemen? En hoe kunnen ze worden gebruikt om een kwantumcomputer te maken?
Het voordeel van een kwantumcomputer is dat hij oneindig veel sneller kan rekenen dan een gewone computer. Een gewone computer werkt met bits. Een bit kent twee standen: aan of uit. Of in computertaal: 0 of 1. Een kwantumcomputer werkt met qubits. Volgens de regels van de kwantummechanica is een qubit zowel 0 als 1 tegelijk. Een qubit is als het ware op twee plekken tegelijk. Dit heet superpositie.
Een qubit kan door zijn superpositie de uitkomst van een berekening voor 0 en 1 tegelijk bepalen. Hij is immers op twee plekken tegelijk. Een gewone computer zal hier twee stappen voor nodig hebben. Hij moet de berekening voor zowel 0 als 1 apart uitvoeren. Hoe meer qubits je in een computer stopt, hoe groter het voordeel wordt. Met elke qubit die je toevoegt, stijgt de snelheid exponentieel.
Tot zover de theorie. Het is overigens logisch dat je dit niet begrijpt. De grondlegger van de kwantumtheorie Niels Bohr schijnt te hebben gezegd dat iemand die niet in de war raakt van de theorie, die niet begrepen heeft. In de praktijk is een qubit alleen op twee plekken tegelijk zolang je hem niet meet. Het is als een flits in je ooghoek. Je ziet iets, maar zodra je je hoofd draait om ernaar te kijken is het weg. Hetzelfde geldt voor kwantumdeeltjes. Zodra je hun toestand probeert te meten, vervallen ze tot 0 of 1. En zijn daarmee niet meer dan een gewone bit.
Het vervallen van de deeltjes gebeurt door verstoring van buitenaf. Factoren zoals temperatuur, magnetische velden en deeltjes die rondvliegen kunnen het systeem heel makkelijk verstoren en de qubits laten vervallen tot gewone bits. Dat is het tweede grote probleem van een kwantumcomputer. Hoe bescherm je de computer tegen verstoring van buitenaf? Het voorkomen van verstoring kan bijvoorbeeld door de computer in een vacuüm te zetten bij een temperatuur rond het absolute nulpunt (-273 graden Celcius). ‘Maar zelfs dan functioneert de computer nog slecht,’ aldus Akhmerov. De natuurkundigen zitten met een probleem. ‘Aan de ene kant wil je de deeltjes beschermen tegen de omgeving om verstoring te voorkomen, aan de andere kant wil je iets doen met de deeltjes om ze te laten werken. Die twee dingen gaan niet goed samen,’ legt Akhmerov uit. Hier komen de Majorana-deeltjes goed van pas. Omdat deze deeltjes geen lading, geen massa en geen energie hebben, zijn ze niet te meten. En zolang er geen meting wordt verricht, blijft de superpositie en daarmee de oneindige rekenkracht in stand.
Op verschillende plekken wordt hard gewerkt aan het gebruik van deeltjes zoals Majorana’s voor de ontwikkeling van een kwantumcomputer. Een heftige concurrentiestrijd want de kwantumcomputer is de heilige graal in natuurkundeland. De eerste die erin slaagt er een te bouwen is vrijwel zeker van een Nobelprijs. Akhmerov verwacht binnen een paar jaar Majorana-deeltjes te kunnen zien. ‘Maar er zullen nog heel wat jaren overheen gaan voordat we een werkende kwantumcomputer hebben. De verwachtingen zijn hooggespannen en de kennis en methoden om ze te maken worden snel beter,’ aldus de natuurkundige.
‘Het zal de wereld veranderen op een manier die we nog niet kennen. De bruikbaarheid is nog niet helemaal bekend, maar de computers zullen zeker een grote rol spelen bij onderwerpen zoals het ontwikkelen van nieuwe medicijnen en de materiaalkunde.’
Geld overmaken zal met de komst van deze computers overigens niet zo riskant worden als je wellicht denkt. Kennis van de kwantummechanica leverde een nieuwe encryptiemethode op die volgens de wetten van de natuur nooit gekraakt kan worden. Het principe is heel eenvoudig. De wondere wetten van de kwantummechanica schrijven voor dat je een kwantumsysteem niet kunt meten zonder het systeem te verstoren. Als informatie wordt verstuurd via een kwantumkanaal en iemand probeert het onderweg te meten, zal de informatie verdwijnen.
