reconstructie

Hoe jonge onderzoekers het fundament wegsloegen onder de quantumdroom van een Delftse hoogleraar

De Delftse natuurkundige Leo Kouwenhoven, november 2016, die internationaal furore maakte met het ‘definitieve bewijs’ voor het bestaan van majorana’s. Beeld Sanne de Wilde
De Delftse natuurkundige Leo Kouwenhoven, november 2016, die internationaal furore maakte met het ‘definitieve bewijs’ voor het bestaan van majorana’s.Beeld Sanne de Wilde

In een klap ligt de quantumdroom van de Delftse natuurkundige Leo Kouwenhoven in duigen. Onlangs gaf hij toe dat de spookdeeltjes waarmee hij een quantumcomputer wil bouwen voor Microsoft, toch niet gemaakt lijken. Die erkenning is echter minder ruiterlijk dan ze lijkt – zonder twee jonge klokkenluiders was deze er waarschijnlijk nooit gekomen. Een reconstructie.

Zomer 2019. Terwijl het kwik in de Amerikaanse staat Pennsylvania richting de 30 graden gaat, zetten natuurkunde-onderzoekers in het quantumlab van de Universiteit van Pittsburgh de temperatuur van hun supervriezer op 273 graden onder nul. In deze zogeheten cryostaat liggen microscopisch kleine draadjes van de zeldzame metalen indium en antimoon. Ze zijn een paar nanometer lang, een honderdste van een haardikte, en liggen op een lijntje van niobium-titanium-nitride.

Die constructie is bijzonder, weet de Pittsburghse onderzoeksleider Sergey Frolov. Zet het nano-bouwwerk in een magneetveld, en er kunnen spontaan speciale elementaire deeltjes ontstaan: majorana’s. Of, preciezer: iets dat zich exact gedraagt als majorana’s, een soort dubbelgangers. Ze zijn daarmee net zo bizar als de quantummechanica zelf, de natuurkundige theorie die de deeltjes al in 1937 voorspelde. Pas in 2018 lukt het om de majorana’s ‘definitief’ aan te tonen, in de onderzoeksgroep van hoogleraar Leo Kouwenhoven van de TU Delft.

Nu willen de majorana’s echter maar niet tevoorschijn komen in Pittsburgh. Aan welke analyseknoppen Frolov en zijn medewerkers ook draaien in de maanden na de metingen, geen majorana laat zich zien. Hoe kan dit?, denkt Frolov.

Deze eenvoudige vraag zet onbedoeld een cascade van gebeurtenissen in gang die uiteindelijk leidt tot de terugtrekking van het artikel over de majorana’s uit 2018, in toptijdschrift Nature, onlangs aangekondigd in een vervangend artikel op natuurkundewebsite arXiv. Majorana’s zijn bij nader inzien tóch niet met zekerheid gemaakt, schrijven de auteurs onder aanvoering van Leo Kouwenhoven zelf, het kan ook best een ander deeltje zijn geweest, of zelfs meetruis. Die zelfcorrectie wordt geprezen; ‘Goed dat de onderzoeksgroep zelf de nieuwe conclusies naar buiten brengt’, zei de Berlijnse quantumhoogleraar Piet Brouwer daarover bijvoorbeeld eerder tegen de Volkskrant.

Toch kwam die mea culpa niet zonder slag of stoot tot stand, blijkt uit gesprekken met betrokkenen en uit diverse documenten. Pas toen ze niet anders konden, gingen de auteurs overstag. Bovendien lijken cruciale resultaten selectief gepresenteerd en gemanipuleerd, zonder dat dat vermeld werd in het Nature-artikel. Fout of fraude? Daarover buigt zich nu een Delftse integriteitscommissie.

‘Kouwenhoven ziet eruit alsof hij opeens tien jaar ouder is geworden’, zegt de Amerikaanse theoreticus Sankar Das Sarma, die mede-auteur was van het teruggetrokken artikel. De uitspraak van de integriteitscommissie – exacte datum nog onbekend – zal het vijfde en voorlopig laatste hoofdstuk zijn van een verhaal over een maandenlange strijd tussen wetenschappelijk rekkelijken en preciezen, over resultaten die ontstaan onder hoge druk en grote verwachtingen.

Hoofdstuk 1: Van boerenzoon tot natuurkundester

Dat de gemoederen achter de schermen verhit waren, is geen toeval. Zeker, elke onderzoeker doet weleens een ontdekking die in tweede instantie niet klopt –voortschrijdend inzicht hoort juist bij wetenschap. Maar is er iets mis met deze majorana’s, dan is dat meer dan alleen een academische teleurstelling. Niet alleen was de vondst potentieel Nobelprijswaardig, ook hoopte Kouwenhoven met de deeltjes een eigen type quantumcomputer te bouwen.

De majorana’s zouden hierin dan de zogeheten qubits vormen. Qubits, die in allerlei soorten en maten komen, zijn het rekenhart van elke quantum-pc. In tegenstelling tot gewone computerbits – die nul of een zijn – hebben qubits allebei de waardes tegelijk, volgens de quantumtheorie. Mede hierdoor kunnen ze veel berekeningen naast elkaar uitvoeren, in plaats van een voor een. Experts hopen dat de ‘supercomputers van de toekomst’ hun hand daardoor straks niet hoeven om te draaien voor de meest complexe klimaatsimulaties of medicijnontwerpen.

Quantumcomputers bestaan zelfs al. Google en IBM hebben er een paar kleine in bedrijf, met een stuk of 50 qubit-rekeneenheden. Probleem is echter dat hun qubits relatief instabiel zijn, waardoor de machines lastig op te schalen zijn. Kouwenhoven, wiens computer nog slechts op papier bestaat, hoopte met zijn minder storingsgevoelige majorona-qubits de concurrentie in één klap te verslaan. Het is alsof Google en IBM met grote elektronenbuizen een iPhone-chip willen maken, en Kouwenhoven meteen begint bij de transistor.

Sinds hij de majorana’s in 2012 op het spoor kwam, beschreven in toptijdschrift Science, is Kouwenhoven dan ook bijkans een celebrity. Van boerenzoon uit Pijnacker die als tiener, na het overlijden van zijn vader, al zo’n beetje de boerderij runde, tot natuurkundester. Een schitterend verhaal dat hem uitnodigingen oplevert bij onder meer De Wereld Draait Door en Pauw & Witteman. Ook weet Kouwenhoven investeerders enthousiast te maken voor zijn plannen, en zet hij mede het inmiddels succesvolle QuTech op, een spin-off van de TU Delft en TNO, speciaal voor quantumonderzoek. Majorana’s vormen binnen QuTech een van vier wegen naar een quantumcomputer.

In 2016 maakt Kouwenhoven een verrassende transfer naar techgigant Microsoft, om voor het bedrijf aan een majorana-quantumcomputer te werken. Koning Willem-Alexander komt hoogstpersoonlijk het Delftse Quantum Lab openen. De overstap maakt de hoogleraar samen met zijn vriend-annex-concurrent Charlie Marcus, die aan hetzelfde onderwerp werkt aan het Niels Bohr Instituut in de Deense hoofdstad Kopenhagen. Charlie Lownoise & Mental Leo worden de twee gekscherend weleens genoemd door collega’s, naar het show-duo uit de dancescene van de jaren negentig van de vorige eeuw.

Op 28 maart 2018 lijkt Kouwenhovens claim to fame definitief. Hij presenteert in Nature het ‘definitieve bewijs’ voor majorana’s. Een piekje in een meetsignaal is het langverwachte pièce de résistance – letterlijk: het heeft exact de elektrische weerstandswaarde die de theorie voorspelt. Het nieuws gaat de wereld over, een eerste Microsoft-quantumcomputer lijkt nabij.

Het zal anders lopen.

Kouwenhoven geeft een demonstratie op muziekfestival Lowlands, augustus 2013. Beeld Paul Bergen / ANP
Kouwenhoven geeft een demonstratie op muziekfestival Lowlands, augustus 2013.Beeld Paul Bergen / ANP

Hoofdstuk 2: Een defensieve mail uit Delft

Als de dan 39-jarige Sergey Frolov najaar 2019 vergeefs chocola probeert te maken van zijn labexperimenten, neemt hij contact op met Delft. Daar werkte hij rond 2010 in Kouwenhovens groep en stond hij mede aan de wieg van het eerste majorana-artikel uit 2012, samen met zijn oude maatje Vincent Mourik (33). Of ze hem de meetgegevens uit 2018 eens kunnen opsturen, vraagt hij, dan snapt hij misschien beter waarom hij andere resultaten krijgt. Zelf biedt hij aan zijn eigen data ook te delen.

Van Hao Zhang, die de experimenten deed, krijgt Frolov de data uit het artikel plus wat extra meetgegevens. Als hij deze nader bekijkt, samen met Mourik, die inmiddels in het Australische Sydney werkt, valt een aantal vreemde dingen op. Allereerst lijkt het signaal in het artikel stabieler dan het eigenlijk is, omdat het regelmatig terugschiet. ‘Vergelijk het met de naald van een pick-up die steeds terugspringt door een kras’, zegt Frolov aan de telefoon.

In Tel Aviv, 2002, waar hij samen met Ullrich Steiner van Cambridge University, de Sackler Prize for Physics in ontvangst neemt. Beeld
In Tel Aviv, 2002, waar hij samen met Ullrich Steiner van Cambridge University, de Sackler Prize for Physics in ontvangst neemt.

Opmerkelijker nog, er blijken stukjes uit de grafiek geknipt. En ook de staart, waar het signaal andere afwijkingen vertoont, is niet gepubliceerd. ‘Op basis hiervan en de andere data die we kregen’, zegt Frolov, ‘kun je helemaal niet concluderen dat er majorana’s gemeten zijn, laat staan dat het signaal robuust was.’

Als Frolov en Mourik Kouwenhoven om uitleg vragen, het is inmiddels januari 2020, reageert deze defensief. Ja, mailt de hoogleraar, Zhang had inderdaad geknipt in de cruciale figuur, maar slechts om ‘esthetische redenen’. Dat had inderdaad vermeld moeten worden in het artikel, maar het beïnvloedt de conclusies echter niet, meent de hoogleraar. Er zijn echt majorana’s gemeten.

Frolov en Mourik zijn geschokt. ‘Ik dacht: hij erkent de problemen en trekt het artikel terug’, zegt Frolov. ‘Onze kritiekpunten waren te groot om de conclusies nog geloofwaardig te laten zijn.’

Hoofdstuk 3: Een techgigant uit Seattle met ronkende persberichten

Maar het gaat hier om meer dan alleen wetenschappelijke kennisontwikkeling. Er speelt ook een commercieel belang, van techgigant Microsoft. Die heeft vol ingezet op de majorana’s om IBM en Google in te halen. Aandeelhouders zullen weinig enthousiast worden van een cruciale publicatie die teruggetrokken wordt.

Of Microsoft een rol speelt bij de zuinige respons van Kouwenhoven, is onduidelijk. De Volkskrant vroeg Kouwenhoven en Microsoft gedurende meerdere weken om hun kant van het verhaal te vertellen, maar beiden zeggen pas te mogen reageren als het nieuwe artikel door vakgenoten is beoordeeld en het integriteitsonderzoek afgerond. Toen de planning daarvan een week vooruit werd geschoven, besloot de Volkskrant dat er lang genoeg gewacht was en de reconstructie te publiceren. Microsoft in een reactie op dit besluit: ‘Wij betreuren het dat dit complexe debat publiekelijk in detail wordt besproken terwijl formele onderzoeken en procedures, die passen binnen de integriteit van het wetenschappelijke proces, nog lopen. Vooruitlopen op de definitieve bevindingen, en het niet weergeven van het perspectief van alle betrokkenen, is in onze beleving onverstandig en doet onnodig afbreuk aan reputaties.’ Ook twee andere hoofdonderzoekers, onder wie Erik Bakkers van de TU Eindhoven, willen nog wachten met een reactie. Hetzelfde geldt voor Zhang, die inmiddels in Beijing werkt. 

Een vijfde betrokkene, Sankar Das Sarma, wil wel spreken. Net als alle andere auteurs, op Kouwenhoven na, heeft hij geen formele relatie met Microsoft. Volgens de quantumtheoreticus van de Universiteit van Maryland oefende het techbedrijf geen directe druk uit op de Delftse hoogleraar, zegt hij via Zoom. ‘Tegelijkertijd kun je er moeilijk omheen dat die druk indirect wel bijzonder groot was. Elke nieuwe ontwikkeling meet Microsoft flink uit, met persberichten vol grote woorden.’

De affaire is een schoolvoorbeeld van hoe technologische innovaties soms tot een kaartenhuis van hoge verwachtingen kunnen leiden, zegt Harro van Lente, hoogleraar Science and Technology Studies aan de Universiteit Maastricht. ‘De quantumcomputer kan een doorbraak betekenen in de computerwereld, opent een totaal nieuwe markt, en is geopolitiek misschien ook belangrijk. Bovendien worden de verwachtingen gestaafd door steun van de overheid en investeringen van Microsoft.’

Maar valt er eenmaal een speelkaart weg, zoals zo’n cruciale publicatie, dan kan het kaartenhuis razendsnel instorten, als iedereen zijn handen ervan af trekt. Van Lente: ‘Microsoft zal denken: hebben we nog wel een businesscase?’

Februari 2019, de opening van het Quantum Lab op de campus van de TU Delft, in aanwezigheid van koning Willem-Alexander. Hier bouwt Kouwenhoven met zijn team aan de quantumcomputer. Beeld Koen van Weel / ANP
Februari 2019, de opening van het Quantum Lab op de campus van de TU Delft, in aanwezigheid van koning Willem-Alexander. Hier bouwt Kouwenhoven met zijn team aan de quantumcomputer.Beeld Koen van Weel / ANP

Hoofdstuk 4: Van kleine stapjes naar grote claims

Terug naar de majorana’s. Als Frolov en Mourik bot vangen bij Kouwenhoven zoeken ze het hogerop en stappen naar Nature. Die neemt hun kritiek op het artikel in behandeling en vraagt Kouwenhoven en de andere auteurs vorig jaar maart om opheldering. Toen was het snel beklonken, vertelt Das Sarma via Zoom. ‘We concludeerden dat de zorgen inderdaad terecht waren.’ De data duiden toch niet met zekerheid op majorana’s – een ander deeltje of zelfs ruis is ook mogelijk, luidt de nieuwe, teleurstellende conclusie. Het originele artikel wordt binnenkort definitief ingetrokken, een vervangend verhaal kwam eind vorige maand online en zal later nog uitkomen in een vakblad.

De ingetrokken majorana-claim slaat in als een bom. ‘Microsofts grote succes rond quantumberekeningen blijkt een ‘fout’’, kopt het Amerikaanse Wired. Sommige vakgenoten keken echter al jaren met gemengde gevoelens naar de quantumcomputer-belofte van Kouwenhoven, vertellen ze, op voorwaarde van anonimiteit. Je komt vakgenoten continu tegen, zoals bij het goedkeuren van artikelen of subsidieaanvragen. De 58-jarige Kouwenhoven is razendslim, zeggen ze, maar weet ook vooral goed zijn ideeën aan de man te brengen. Hij is een makkelijke prater, of het nu op een congres is of in de kroeg, en daarmee weet hij mensen voor zich in te nemen én veel voor elkaar te krijgen. ‘Elk klein stapje werd meteen als doorbraak gebracht’, zegt een van hen.

Het gevolg is een hype en tunnelvisie, waarbij resultaten die niet in het beeld passen al snel genegeerd worden. De hypercompetitieve financieringsstructuur van onderzoek draagt daaraan ook bij. Dat probleem speelt overigens in de hele quantum-onderzoekswereld, benadrukken ze, niet alleen bij deze majorana’s. ‘Het merendeel van de experimentele werken houdt veel te weinig slagen om de arm.’

Maar denk nu niet, benadrukken ze, dat Kouwenhovens reputatie aan diggelen is. Ja, met dit artikel ging hij de fout in, maar over zijn vroegere werk bestaat geen twijfel. Sterker, dat heeft tot allerlei baanbrekende inzichten geleid en vele nieuwe experimentele deuren geopend. De Spinozapremie in 2007 hiervoor was volkomen terecht, de hoogste Nederlandse wetenschappelijke onderscheiding. Ook Frolov en Mourik zijn dankbaar zijn voor wat ze van Kouwenhoven geleerd hebben in hun Delftse tijd. Frolov: ‘Zonder hem was ik niet waar ik nu ben. Daardoor voelde ik me juist extra bezwaard om onze zorgen aan te kaarten.’

Hoofdstuk 5: De integriteitscommissie buigt zich over de kwestie

Was dit een stomme fout of fraude? Figuren oppoetsen voor een publicatie is gangbaar, zeker als het om topbladen gaat als Nature, maar hier lijkt doelbewust geknipt. Ook hoofdauteur Zhang stond onder grote druk – mede dankzij de publicatie kon hij een eigen groep beginnen in zijn thuisland China. Frolov en Mourik willen het woord fraude niet in de mond nemen, benadrukken ze meermaals. Frolov: ‘Ik was er zelf niet bij, en kan niet in iemands hoofd kijken. We hebben geen persoonlijke vetes uit te vechten, we willen alleen overduidelijke fouten rechtzetten.’

Christian Schönenberger – niet betrokken bij de studie, maar wel genoemd als een van de oorspronkelijke artikelbeoordelaars – spreekt zich meer uit. ‘De aanpassingen in de figuren pakten gunstig uit voor de claim die gemaakt werd. Als je dat niet meldt, dan is dat in zekere zin fraude’, mailt de quantumonderzoeker van de Universiteit van Basel.

Een wetenschappelijke integriteitscommissie van de TU Delft, die geen commentaar geeft, zal binnenkort een definitief formeel oordeel vellen over de fraudevraag. Volgens Das Sarma neemt Kouwenhoven daarbij mede verantwoordelijkheid voor alle discutabele resultaten, als Zhangs wetenschappelijk begeleider.

Epiloog: Eind goed, al goed?

Artikel teruggetrokken, een integriteitsonderzoek. Eind goed al goed? Nee, zeggen Frolov en Mourik. Ze balen dat ze tegen wil en dank in een rol van klokkenluider zijn beland en willen de affaire snel achter zich laten. Wat hen vooral nog dwars zit is dat het vervangende artikel suggereert dat met de gebruikte meettechniek geen eenduidige conclusies mogelijk zijn. Die interpretatie kan grote gevolgen hebben voor hun carrière, bijvoorbeeld bij subsidieaanvragen.

Duidelijke uitkomsten zijn wél mogelijk, zeggen ze, als je alle meetgegevens maar met elkaar combineert. Dat kunnen ze nu echter niet aantonen, omdat Kouwenhoven noch de TU Delft alle gevraagde data wil overhandigen. Volgens de Nederlandse gedragscode wetenschappelijke integriteit zou dat wel moeten, reageert de Amsterdamse integriteitshoogleraar Lex Bouter desgevraagd, die de code mee opstelde. ‘Tenzij de nationale veiligheid in geding is, bijvoorbeeld bij onderzoek naar biologische wapens of terrorisme.’

Komt er ooit een quantumcomputer met Majorana Inside? Microsoft gelooft er nog in, laat een woordvoerder weten, het wil het Nederlandse quantumteam zelfs uitbreiden. Ook quantumonderzoeker Schönenberger uit Basel is positief over de majorana’s – maar vooral vanwege de natuurkunde erachter. ‘Het is een razend opwindend vakgebied, waarvan we nog maar weinig weten.’ Of het ooit lukt om een majorana-qubit te maken, betwijfelt hij. ‘Misschien lukt het, over vijf of tien jaar. Maar tegen die tijd heeft Google vast al een quantumcomputer draaien met tienduizend van hun eigen qubits.’ 

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden