Quantummechanica is raar. Het beschrijft het gedrag van de allerkleinste deeltjes op aarde, zoals elektronen, protonen en quarks. En die wereld op nanoschaal is compleet anders dan de onze. Volgens de spelregels van de quantummechanica kunnen de hoofdrolspelers deeltje en golf tegelijk zijn, zich op meerdere plekken tegelijk bevinden en spontaan opduiken vanuit het niets. Deze toverachtige effecten zijn echter verwaarloosbaar klein voor onze wereld, en daarom merken we hier nooit iets van. Maar wat als we deze mysterieuze theoretische eigenschappen nu eens in de praktijk konden gebruiken op onze eigen, grotere schaal? Dat is nu precies het idee achter de quantumcomputer.
Quantumtrucje
Wetenschappers dromen al jaren van een quantumcomputer. Met behulp van quantummechanische principes zou een computer stukken sneller kunnen rekenen. Onze huidige computers werken met bits, die de waarde 0 óf 1 kunnen aannemen. Een quantumcomputer bevat zogeheten qubits die tegelijkertijd zowel de waarde 0 als 1 kunnen hebben. Het vermogen om dat te kunnen is één van die magische ‘quantumtrucjes’, genaamd superpositie.
Superpositie – hoe werkt dat?
Op het niveau van quantummechanica heeft een deeltje, zoals een elektron, geen absolute plaats. Zijn positie is gebaseerd op kansen, bijvoorbeeld vijftig procent kans op plek A en vijftig procent kans op plek B. Je kunt op plek A gaan kijken en dan weet je direct of het er wel of niet is (en zo niet, dan zit het elektron dus op plek B). Maar als je niet kijkt, kun je slechts gokken. De quantummechanica zegt dan: het elektron bevindt zich tijdelijk (totdat je daadwerkelijk kijkt) op plek A én B. Het heeft geen precieze plaats, maar een soort wolk van mogelijke plaatsen. In de quantummechanica zegt men dan dat het deeltje in superpositie is. Superpositie hoeft niet per se te slaan op de positie van een deeltje, maar kan ook gelden voor een andere eigenschap, zoals zijn snelheid of energie.
Hoe bijzonder het idee van superpositie is, liet de natuurkundige Erwin Schrödinger zien met een inmiddels beroemd gedachte-experiment waarin hij het idee vertaalt naar een situatie in onze wereld (zie ‘Schrödingers kat’). Dit bijzondere effect kunnen qubits gebruiken om bliksemsnel te rekenen. Omdat qubits verschillende waarden tegelijkertijd kunnen aannemen, kan een quantumcomputer veel meer berekeningen tegelijkertijd uitvoeren en veel sneller de juiste oplossing vinden in problemen met veel data.
Bijvoorbeeld: als je een naam moet vinden bij een gegeven telefoonnummer, zal onze computer één voor één het lijstje af moeten gaan. Bij een dik telefoonboek duurt dat even, zeker als de juiste naam helemaal achterin staat. Een quantumcomputer kan in één keer alle namen tegelijk proberen, en pikt daar direct de juiste naam uit. Niet zo gek dus dat wetenschappers van alles uit de kast halen om een quantumcomputer te bouwen.
Schrödingers kat
Een kat zit in een afgesloten stalen ruimte, samen met een mechanisme dat een glas dodelijk gif kapot kan slaan. Het gif komt vrij zodra een radioactief atoom in het mechanisme vervalt. De kans dat het atoom na een uur is vervallen is vijftig procent. Laten we de ruimte een uur voor wat het is, dan is de kat dood óf levend. In de wereld van de quantummechanica zou de kat, zolang je niet gekeken hebt, levend én dood tegelijk zijn.
Silicium
Tot nu toe wil dat nog niet echt vlotten, want de eerste praktische quantumcomputer moet nog gemaakt worden. Men komt nog niet verder dan het maken van een handjevol qubits, en enkele simpele berekeningen. Vorige week zette een team Nederlandse en Engelse wetenschappers echter een veelbelovende stap naar een nieuw soort quantumcomputer. Eentje op basis van silicium. Juist, het materiaal wat nu al in onze computerchips zit.
Let wel, het gaat hier niet om puur silicium, maar om een lichte mengvorm waarbij in het siliciumkristal enkele siliciumatomen vervangen zijn door fosforatomen (wat trouwens ook in computerchips het geval is). Fosfor bevat een extra elektron. Als je dit ‘silicium-fosfor’ helemaal afkoelt tot slechts vier graden boven het absolute nulpunt (vier kelvin dus), kun je met een kleine toevoeging van energie dit elektron op grotere afstand van de fosforkern brengen: het wordt aangeslagen. Beweegt het normaal op een afstand van ongeveer 30 siliciumatomen van de fosforkern, in aangeslagen toestand wordt dat plots 100 siliciumatomen.
Wisselen
Het team ontdekte dat als je met een laser lichtpulsen van tien picoseconden (één picoseconde is een biljoenste van een seconde) op dit silicium-fosfor schiet, je precies die benodigde energie levert om de elektronen aan te slaan. Sterker nog, door de ultrasnelle pulsen bleken de elektronen heel snel te gaan wisselen tussen de normale en aangeslagen toestand. Zo snel, dat ze eigenlijk tegelijkertijd in beide toestanden zijn: in superpositie dus. De wetenschappers hebben dus een soort Schrödingers kat van een elektron in silicium gemaakt.
Die laserpulsen luisteren heel nauw en niet elke laser kan dat. Ze zijn zelfs zo specifiek dat de hulp werd ingeschakeld van de infrarood vrije-elektronenlaser FELIX van het Nederlandse FOM-instituut Rijnhuizen. Het is één van de weinige installaties ter wereld die de benodigde ultrakorte lichtflitsen met de juiste frequentie en energie produceert.
Quantumtruc
Het resultaat is veelbelovend, zeker als je bedenkt dat je dit silicium-fosfor in elk van de 1.000.000.000.000.000.000 transistoren op aarde vindt. De beschikbare kennis over silicium is enorm, dus op het eerste gezicht lijkt de overstap van een ‘gewone’ computer naar een quantumcomputer met silicium makkelijker dan met andere soorten qubits.
Quantumverstrengeling
Stel, twee elektronen verspreiden zich over plek A en B (op elk moment is er maar één elektron per plek mogelijk). Zolang je niet kijkt, kun je alleen raden waar de twee elektronen zich bevinden. Ga je op plek A kijken en je vindt elektron 1, dan bepaalt dit automatisch dat elektron 2 op plek B moet zijn. En andersom net zo. De positie van de een beïnvloedt zo de positie van de ander: de posities zijn aan elkaar gekoppeld of verstrengeld. Als qubits verstrengeld zijn, betekent dit dat als je één qubit beïnvloedt (wat gebeurt als je bijvoorbeeld iets wilt uitrekenen), je direct alle andere qubits ook beïnvloedt (en je zo meerdere berekeningen tegelijkertijd uit kunt voeren).
Hoe serieus we dit echter kunnen nemen, hangt af van de volgende stap. De onderzoekers willen namelijk nu proberen de elektronen, die zich her en der verspreid over het siliciumkristal in een superpositie bevinden, aan elkaar te koppelen. Ook hier is sprake van een bijzonder quantumtrucje, dat quantumverstrengeling wordt genoemd. Dat is naast superpositie een ander belangrijk theoretisch principe in de quantummechanica, nodig voor een werkende quantumcomputer. Maar, de eerste quantumtruc is alvast gelukt.
Bron
P.T. Greenland e.a.,Coherent control of Rydberg states in silicon, Nature, 24 juni 2010 (DOI: 10.1038/nature09112)