Universiteit Leiden Universiteit Leiden | Bij ons leer je de wereld kennen.

De quantumcomputer

Onderzoek

Vanuit verschillende disciplines werken onderzoekers van de Universiteit Leiden samen aan innovatieve oplossingen voor maatschappelijke problemen. U vindt hier een voorbeeld op het gebied van fundamentele wetenschappen.

Overzicht wetenschapsdossiers

Denktank voor de quantumcomputer

Bouwstenen voor een revolutionair rekenapparaat

De wereldwijde race naar de quantumcomputer is in volle gang. Deze computer kan rekenklussen aan waarvan we nu alleen maar dromen, zoals het razendsnel vinden van eiwitten die als medicijn kunnen dienen. Leidse natuurkundigen ontdekten hoe je het Majorana-deeltje als bouwsteen voor deze quantumcomputer zou kunnen inzetten. Samen met onderzoeksgroepen in Delft hopen zij de eerste quantumcomputer ter wereld te bouwen.

<p>Ontwerp van een chip van de quantumcomputer</p>

Ontwerp van een chip van de quantumcomputer

Barrière voor de klassieke computer

In een mobieltje zit tegenwoordig meer rekenkracht en geheugen dan in een supercomputer uit de jaren zeventig, en die ontwikkeling gaat nog steeds door.  Toch loopt dit type 'klassieke' computer tegen een onoverkomelijke barrière aan. Een bekend voorbeeld van zo’n barrière is de kortste route tussen steden. Voor twintig steden kan een klassieke computer nog alle mogelijke routes nalopen, maar met iedere stad erbij verveelvoudigt het aantal routes. Al bij honderd steden zou het eeuwen duren om de kortste route te vinden.

Een quantumcomputer vindt de kortste route niet door van alle routes de lengte te bepalen, maar door ze allemaal in één keer met elkaar te vergelijken, waarna de kortste er vrijwel meteen uit rolt. Het klinkt als tovenarij, maar het is bewezen dat dit in principe kan.
Dit geldt voor veel wetenschappelijke berekeningen: we weten hoe het moet, maar het aantal mogelijkheden wordt voor een klassieke computer al snel te groot. Als die barrière wegvalt, kunnen we gaan uitrekenen welk molecuul het perfecte geneesmiddel is voor een ziekte. Of welk materiaal bij kamertemperatuur nog supergeleidend is, wat een enorme impact zou hebben op onze energievoorziening. Ook zouden we in veel gevallen zeer dure experimenten kunnen vervangen door veel goedkopere, bijna perfecte quantumcomputersimulaties.

De ontwikkeling van de quantumcomputer is de laatste jaren in een stroomversnelling geraakt, en veel deskundigen denken nu dat deze in een jaar of tien gebouwd kan worden. Leidse natuurkundigen onderhouden intensieve contacten met QuTech, een groot samenwerkingsverband van Delftse onderzoeksgroepen dat wordt gesponsord door Microsoft. Leiden vormt als het ware de denktank voor de futuristische quantumfabriek QuTech.

Zoeken naar de ideale qubit

Voor de klassieke computer is de kleinste informatie-eenheid de bit, die de waarde 0 of 1 heeft. Fysiek kan een bit een elektronisch schakelaartje zijn dat aan of uit staat. Elke moderne chip bevat er miljoenen. De quantumcomputer rekent echter met qubits, die – in een variabele mix – de waarde 0 én 1 hebben. Een qubit is iets waar het gezond verstand niet bij kan; het is een product van de bijna magische quantumwereld.  

Goed functionerende qubits vormen de sleutel tot de quantumcomputer. In Leiden wordt onderzoek gedaan naar meerdere types, zoals de qubit gevormd door een paar Majorana-deeltjes, en de qubit die bestaat uit één elektron dat gevangen zit in een microscopisch klein kooitje, een quantum dot.
De quantumcomputer bevat supergeleidende onderdelen, waar elektrische stroom zonder enige weerstand doorheen loopt. Dat lukt alleen bij temperaturen rond de 270 graden onder nul. De Leidse natuurkunde heeft van oudsher veel expertise met supergeleiding en het werken bij zulke extreem lage temperaturen.

Kraken van geheimschriften

Alleen al de mogelijkheid dat een quantumcomputer ooit gebouwd wordt heeft al impact. Een veelgebruikt, nu nog niet te ontcijferen geheimschrift, RSA, is door de quantumcomputer in een mum van tijd te kraken. Geheime diensten weten dat ook, en slaan afgeluisterde, RSA-versleutelde data op. Dus kan je RSA nu al niet meer gebruiken voor data die je nog tien jaar of langer geheim wilt houden.   

Als wetenschappers er in slagen de quantumcomputer te bouwen, wordt het geen concurrent van de PC of de tablet. Theoretisch fysicus Carlo Beenakker: 'Het zal een enorm apparaat worden, ter grootte van een sporthal, en hij zal een paar miljard euro kosten. Maar dat is geen probleem, dat kost een fabriek voor computerchips nu ook, en die worden ook gebouwd.'

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 

Leo Kouwenhoven en zijn team in het lab. Foto © Sam Rentmeester

Leo Kouwenhoven en zijn team in het lab. Foto © Sam Rentmeester

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.'

Een kunstmatig atoom als qubit

Bij een baanbrekend project als de quantumcomputer is het verstandig om niet op één paard te wedden. In de Leidse onderzoeksgroep Quantum Optics werkt men aan een ander type qubit dan op basis van het Majorana deeltje, gebaseerd op een 'kunstmatig atoom'. Als die de basis wordt van de quantumcomputer, zal deze rekenen met infraroodlicht, in plaats van met elektrische stroompjes.


Elektron in een kooitje

Het is al bijna mogelijk om deze qubits te maken met technieken die gemeengoed zijn in de fabricage van gewone chips. Dat is van belang, omdat je dan later sneller kunt opschalen van een prototype in het laboratorium naar serieproductie. Deze qubits bestaan uit minuscule klompjes van een halfgeleidermateriaal (indiumarsenide), ingebed in een ander halfgeleidermateriaal (galliumarsenide). Door de omstandigheden tijdens de productie van de chip, waarop meerdere qubits zitten, nauwkeurig te controleren, en de chip daarna te koelen tot 5 graden boven het absolute nulpunt (– 268 graden celsius) kan je er voor zorgen dat elk klompje precies één extra elektron bevat, alsof het in een kooitje gevangen zit.

Promovendus Morten Bakker doet onderzoek naar chips die als basis voor de quantumcomputer kunnen dienen. Hier staat hij bij een opstelling met spiegeltjes. Deze dienen onder meer om een laserstraal met micro-meterprecisie naar het chipsample te sturen. Het sample bevindt zich achter het poortje (midden rechts), in een ruimte die wordt gekoeld tot 5 graden boven het absolute nulpunt (voor de foto is een groene laserstraal gebruikt, de echte is infrarood en niet zichtbaar). (Foto: A. Jaspers)

Promovendus Morten Bakker doet onderzoek naar chips die als basis voor de quantumcomputer kunnen dienen. Hier staat hij bij een opstelling met spiegeltjes. Deze dienen onder meer om een laserstraal met micro-meterprecisie naar het chipsample te sturen. Het sample bevindt zich achter het poortje (midden rechts), in een ruimte die wordt gekoeld tot 5 graden boven het absolute nulpunt (voor de foto is een groene laserstraal gebruikt, de echte is infrarood en niet zichtbaar). (Foto: A. Jaspers)

Als je infrarood laserlicht op zo'n kooitje schijnt, kan het elektron een foton (een individueel lichtdeeltje) absorberen, waardoor hij in een andere toestand komt. Dit lijkt sterk op hoe een atoom reageert op het invangen van een foton, vandaar dat men dit ook wel een kunstmatig atoom noemt. Zo kan weer de mix van twee toestanden (0 en 1) ontstaan die voor een qubit nodig is.

Nano-spiegeltjes

De afgelopen jaren zijn onder leiding van Martin Van Exter en Dirk Bouwmeester belangrijke vorderingen gemaakt met het verfijnen van deze kunstmatige atomen tot bruikbare qubits. Een probleem was, dat een kunstmatig atoom maar een klein deel van de inkomende fotonen absorbeert.

Door een extra stap in het productieproces werd het mogelijk als het ware twee nanospiegeltjes rond het kunstmatig atoom te zetten, waartussen een ingekomen foton meer dan duizend keer heen en weer kaatst. De kans dat het een keer wordt geabsorbeerd door het kunstmatig atoom is dan navenant groter. Ook kreeg men de techniek onder de knie, om een qubit te 'lezen' of te 'schrijven' met één enkel foton, wat nodig is om quantumberekeningen te doen.

Het maken van zulke qubits is een kwestie van veel vallen en opstaan, omdat de eigenschappen van de nanospiegeltjes en het kunstmatig atoom precies op elkaar moeten passen. Een perfect uitgevallen qubit is nu nog een lot uit de loterij, maar gelukkig zijn er voor deze experimenten niet veel nodig. Als een chip met een goede qubit eenmaal is afgekoeld tot zijn bedrijfstemperatuur, slijt deze niet meer. Eén uitzonderlijk goed gelukte qubit heeft meer dan een jaar continu gewerkt.

Quantumspelletjes spelen

De volgende stap zal zijn, om achtereenvolgens meerdere fotonen op een qubit af te sturen, zodanig dat die allemaal verstrengeld raken. In een quantumcomputer moeten qubits met andere qubits communiceren. Daarom is het soms nodig om qubits en fotonen met elkaar te verstrengelen. 'Meer en ingewikkelder quantumspelletjes spelen,' noemt Van Exter dat. Uiteindelijk kan dit leiden tot een quantumchip waarop honderden kunstmatige atomen met elkaar communiceren door middel van fotonen, maar de ambitie richt zich nu eerst op een tussenstap: 'Ons gaat het nu om de fundamentele fysica. Wij willen laten zien, dat bepaalde quantum-operaties in ons systeem goed werken, zodat het geschikt is als een van de essentiële bouwstenen van een quantumcomputer.'

Nadenken over het quantuminternet

Quantumcomputers verdienen een quantuminternet. Dit is een netwerk dat informatie niet in de vorm van bits – nullen en enen – verstuurt, maar als qubits, net als in de quantumcomputer zelf. In de visie van Dirk Bouwmeester, hoogleraar verbonden aan de Leidse onderzoeksgroep Quantum Matter & Optics, zal een cloud van goedkope mini-satellieten dit netwerk over de hele wereld gaan uitrollen. Dit netwerk maakt het onder meer mogelijk om boodschappen absoluut veilig te versturen.


Geen twijfel meer

'De quantumcomputer komt er, 100 procent zeker', zegt Dirk Bouwmeester. Een paar jaar geleden zou hij dit nog niet zo stellig gezegd hebben, maar sindsdien zijn er zoveel technische doorbraken geweest, dat bij hem de twijfel verdwenen is. Het eerste prototype zou zelfs al over een jaar of vijf gebouwd kunnen zijn. Bouwmeester won in 2014 een Spinoza-premie, de hoogste wetenschappelijke onderscheiding in Nederland, voor zijn onderzoeksprogramma naar de uiterste consequenties van de quantumtheorie. Hij is ook nauw betrokken bij het onderzoek aan 'kunstmatige atomen' die door middel van infraroodfotonen communiceren.

Een qubit kan je niet versterken

Ditzelfde principe wil hij benutten om twee quantumcomputers over grote afstanden aan elkaar te koppelen. Als die door middel van qubits met elkaar kunnen communiceren, ontstaat een quantuminternet dat de mogelijkheden van de quantumcomputer naar een heel nieuw niveau zal tillen, net als het internet heeft gedaan met de klassieke computer.  Het quantuminternet zal het huidige internet niet overbodig maken, maar daar een aanvulling op zijn.

Computers communiceren nu met lichtsignalen via glasvezels. Zo'n lichtsignaal is een soort morse-code: aan-uit, aan-uit, wat overeenkomt met de waarde 0 of 1 van een bit. Over grote afstanden, bijvoorbeeld van Europa naar de VS, moeten er regelmatig versterkers in de glasvezelkabel zitten, omdat het signaal anders te veel uitdooft. Zo'n versterker meet de opeenvolging van nullen en enen, en stuurt die versterkt weer door.
Maar met qubits kan dit niet. Zodra je de waarde van een qubit meet, komt daar 0 of 1 uit, en is de qubit geen mix meer van 0 en 1 tegelijk, maar gewoon een bit. Om quantumcomputers in hun eigen taal te laten communiceren, is een quantum repeater nodig.

Keten van kunstmatige atomen

Een quantum repeater is heel wat ingewikkelder dan een glasvezel met versterkers. Het komt er op neer, dat tussen twee quantumcomputers een keten van tussenstations komt. Elk tussenstation zendt naar zijn linker- en rechterbuurstation  paren fotonen uit die met elkaar verstrengeld zijn. Die worden ingevangen door een kunstmatig atoom in het buurstation en vervolgens dusdanig uitgelezen dat er  quantumverstrengeling ontstaat tussen steeds verder uit elkaar gelegen stations, totdat de gehele afstand is overbrugd. Het uiteindelijke resultaat is dat je de quantuminformatie die in de qubit aan het ene uiteinde van de keten zat kan teleporteren naar het andere uiteinde, zonder enige verstoring of uitdoving.

Mini-satellietjes

Het ligt voor de hand om dit niet meer via glasfibers te doen, maar via satellieten. Een voormalig promovendus van Bouwmeester, William Marshall heeft een bedrijf (Planet Labs) opgericht dat een groot aantal minisatellieten in de ruimte heeft voor het maken van beeld opname van de gehele aarde. Een dergelijke cloud van optische mini-satellietjes, elk niet zwaarder dan een kilogram, zou de aarde met een netwerk van quantum-repeaters kunnen omhullen.

Het gewone internet zal ook blijven bestaan, er is geen reden om facebook en dagelijkse e-mail via het quantuminternet te versturen. Maar met het quantuminternet kun je meerdere quantumcomputers samenvoegen tot een nog krachtiger apparaat, en je kunt er gecodeerde boodschappen mee uitwisselen die absoluut veilig zijn, omdat je het meteen merkt als iemand probeert het signaal af te luisteren. Dit laatste thema heet quantumgeheimschrift en is nu al in een vergevorderd stadium van ontwikkeling.

Fundamenteel onderzoek

Naast het ontwikkelen van elementen voor een quantuminternet is Bouwmeester op zoek naar fundamentele beperkingen aan de vorming van quantumverstrengeling. Er is nog veel onbekend over de hoe de quantumtheorie doorwerkt in de evolutie van het heelal en het leven zoals wij dat ervaren. Het is lang niet uitgesloten dat bijvoorbeeld zwaartekracht een rol speelt in de overgang van de quantum wetmatigheden naar de klassieke wetmatigheden voor grootschalige voorwerpen. Om de experimenten die dit thema bestuderen verder te ontwikkelen, is een uitbreiding naar optische experimenten in de ruimte wellicht noodzakelijk. Dit zal in de nabije toekomst het onderzoek aan het quantuminternet, quantumgeheimschrift en grootschalige quantumeffecten met elkaar combineren.

'Waar ik op wil inzetten, is onderzoek dat technisch enorm moeilijk is voor een universiteit. Maar dankzij de gecombineerde expertise van mijn onderzoeksgroep in Santa Barbara op het gebied van halfgeleiderfabricage, en mijn groep in Leiden op het gebied van quantumoptica, zijn we in een unieke positie om dit tot een succes te maken.'

 

Een promotiefilmpje van het bedrijf Planet Labs. Een soortgelijk netwerk van minisatellieten, elk niet zwaarder dan een kilogram, zou de aarde met een netwerk van quantum-repeaters kunnen omhullen.

Experts

Leidse onderzoekers van de quantumcomputer

  • Prof. dr. Carlo Beenakker
  • Prof. dr. Dirk Bouwmeester
  • Prof. dr. Martin van Exter

Prof. dr. Carlo BeenakkerHoogleraar Theoretische Natuurkunde

Topics: nanotechnologie en -materie, Majorana-deeltjes, quantumcomputer, grafeen

+31 71 527 5532

Prof. dr. Dirk Bouwmeester Hoogleraar Experimentele Natuurkunde

Topics: Macroscopische quantumeffecten, plasmaringen, nanostructuren, quantummechanica

+31 71 527 5892

Prof. dr. Martin van ExterHoogleraar Experimentele Natuurkunde

Topics: optiek, fotonen, lasers, nanoschaal

+31 71 527 5927

Onderwijs

Een huwelijk tussen Leiden en Delft

Zowel bij de onderzoeksgroepen Theoretical Physics als Quantum Matter & Optics is altijd plaats voor natuurkundestudenten en promovendi met een fascinatie voor de quantumcomputer en andere aspecten van de quantumfysica. Opgeleid worden tot quantumfysicus kan ook in Delft, maar een student hoeft niet eens te kiezen tussen beiden. De onderlinge contacten zijn intensief, en Leidse studenten kunnen ook in Delft college volgen. Als het over die samenwerking gaat, spreekt Beenakker zelfs van een huwelijk. 
Het onderzoek in Leiden is kleinschalig en vooral gericht op de lange termijn. Beenakker: 'Als je het leuk vindt om op onderzoek te gaan in onbekend gebied, dan zit je bij ons goed.'

Carlo Beenakker geeft een presentatie op het festival Lowlands Carlo Beenakker geeft een presentatie op het festival Lowlands

Outreach & Nieuws

Wetenschap middenin de maatschappij

Ons onderzoek reikt verder dan de wetenschappelijke wereld alleen. Onze experts zijn regelmatig te gast bij binnenlandse congressen en discussiebijeenkomsten die toegankelijk zijn voor het brede publiek. Zo brengen zij de wetenschap naar de maatschappij.

Nieuws

Agenda

Promovendi

Aangekomen en vertrokken promovendi