Quantumrekenen blijft alsnog een rommeltje

Dankzij de inherente vaagheid van de quantumwereld kan een quantumcomputer talloze sommen tegelijk maken. Fysici meenden dat dat vorig jaar echt in het lab bewezen was....

Martijn van Calmthout

REKENEN WAS een groot woord. Maar de euforie was er niet minder om, vorig jaar april, toen Amerikaanse onderzoekers onder leiding van Isaac Chuang van IBM een doorbraak meldden in het zogeheten quantumrekenen.

In een laboratorium vol kernspinmagneten, radiozenders en reageerbuizen lieten ze de moleculen in een vingerhoedje chloroform in één stap vaststellen welke van de getallen 1, 2, 3 en 4 oneven zijn én groter dan 2.

Drie, zei de vloeistof, de champagne knalde, en de auteurs publiceerden uitgebreid in prestigieuze bladen. Elk denkbaar rekenprogramma op een gewone digitale computer zou daar minstens twee stappen voor nodig hebben gehad.

Die fles was echter wat te voorbarig, vindt Sam Braunstein van de universiteit van Wales in Bangor. Vorige week publiceerde hij met gelijkgestemde Britten in het vakblad Physical Review Letters (2 augustus) een ingewikkeld artikel dat er op neerkomt dat de Amerikanen vorig jaar mogelijk met meer geluk dan wijsheid het juiste antwoord in hun chloroform vonden. 'Quantumrekenen hoeft het niet geweest te zijn.'

Dat is slecht nieuws, want rekenen met magneetvelden en chloroform wordt de laatste jaren gezien als de meest praktische manier om quantumrekenen in de praktijk te brengen. Chuangs proefjes van vorig jaar golden onder fysici inmiddels als mijlpaal, zijn artikelen zijn al uitentreuren geciteerd. Ten onrechte, lijkt nu.

Bij quantumrekenen wordt gebruik gemaakt van de inherente vaagheid van de quantumwereld. Deeltjes of moleculen kunnen in die wereld tegelijk in twee of nog meer toestanden verkeren. Pas bij meting krijgen ze één identiteit.

Door de deeltjes te manipuleren, kunnen al die toestanden tegelijk worden bewerkt. Beschouw elke toestand als een computerwoord van een aantal enen en nullen lang, een byte, en een molecuul wordt opeens een computer die talloze bytes tegelijk kan bewerken, in plaats van één voor één zoals in een gewone digitale computer.

Die quantummechanische gespletenheid is precies de belofte die het onderzoek naar quantumcomputers voortdrijft. Wat met conventionele computers tot eindeloos rekenwerk leidt, is met quantumcomputers - althans in theorie - nog wel binnen redelijke tijd op te lossen. Toen Peter Shor, Amerikaan, AT & T Labs, dat in 1994 voor het eerst op papier aantoonde, waren banken en veiligheidsdiensten er dan ook als de kippen bij.

Onkraakbare veiligheidscodes zouden immers binnen handbereik van de quantumrekenaar kunnen komen.

Zover is het vijf jaar later nog zeker niet. Chloroform CHCl3 bevat een waterstofatoom H en een koolstofatoom C, die elk een inwendig magneetveldje (spin) omhoog (1) of omlaag (0) kunnen hebben. Elk chloroformmolecuul kan daarom tegelijk vier quantumtoestanden (10, 11, 00, 01) aannemen, die met radiogolven allemaal tegelijk kunnen worden gemanipuleerd. Bijvoorbeeld: door ze óm te klappen, zodat elke 1 een 0 wordt en omgekeerd, wordt de logische bewerking 'NIET' uitgevoerd op alle vier de potentiële toestanden.

Dat is echter gemakkelijker gezegd dan gedaan. Quantumeffecten treden alleen op als een molecuul gedurende de bewerking helemaal geïsoleerd is van de omgeving. De kans daarop lijkt in een vloeistof op kamertemperatuur uitgesloten, maar soms glipt er een molecuul onaangeraakt doorheen. De kunst van experimenten als die van Chuang is om met gevoelige apparatuur precies de signalen van die onaangeraakte moleculen op te vangen.

Op zich, zegt Braunstein, is dat idee goed. Alleen is volgens hem tot nog toe in nog geen enkel chloroformexperiment met zekerheid zo'n gave quantumtoestand tot stand gebracht. Althans: in het 'chaotische' mengsel van aangeraakte en onaangeraakte moleculen is niet uit te maken waar een signaal vandaan komt als een molecuul niet ten minste 14 variabele spins heeft.

Toch, zegt de Belgische natuurkundige Lieven Vandersypen, die via Stanford University meewerkte aan de chloroformproeven van Chuang, is daarmee niet alles gezegd. 'We hadden ons dit inderdaad niet gerealiseerd. Maar ons algoritme (rekenmethode, red.) blijkt werkelijk sneller dan elke willekeurige conventionele berekening, zeker en vast.'

Ook volgens criticus Braunstein hoeven zijn kanttekeningen niet het einde te betekenen van quantumrekenen met de kernspins van moleculen. 'Integendeel. Kennelijk zijn er andere, eenvoudiger wegen naar quantumrekenen dan we tot nog toe hebben aangenomen', schrijft hij. En daar is chloroformrekenaar Vandersypen het weer wel hartgrondig mee eens: 'Er is nog zóveel te leren.'

Begrepen of niet, in zijn groep wordt inmiddels geëxperimenteerd met veel grotere moleculen, die dus ook in veel meer quantumtoestanden kunnen verkeren dan de vier van chloroform. De rekenkracht zou daarmee explosief groeien.

En zijn die ook toegerust met 14 spins? Dat laat Vandersypen, in opdracht van zijn ambitieuze chef Chuang, nog even in het midden. De concurrentie moet maar gewoon op hun volgende publicatie wachten.

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden