Rekenen met gekooide ionen

In de wereld van de allerkleinste deeltjes is niets vast bepaald. Een quantumcomputer, speculeren fysici, is daarom eigenlijk talloze computers tegelijk....

OVER PAKWEG vijf jaar hebben ze een feestje in de groep van R. Hughes in Los Alamos National Laboratory in New Mexico. Als alles goed gaat, hebben ze dan de priemdelers van het getal vijftien (even uit het hoofd: drie en vijf) door hun zelfgebouwde computer laten uitrekenen, zo meldde de Amerikaanse onderzoeker vorige week in The Economist.

Dat een beetje pc voor die berekening nu hooguit een oogwenk nodig heeft, doet aan de voorspelde prestatie niets af. Want Hughes heeft daarmee - mogelijk als eerste - een werkende quantumcomputer in zijn laboratorium gerealiseerd, een apparaat dat bij het rekenen volledig leunt op de principes van de quantumtheorie.

'Apparaat' is een groot woord. Hughes computer zal tegen die tijd gegarandeerd geen spat op een rekenmachine lijken. Hoe immers, kan een forse kamer vol oscilloscopen, spectroscopen, lasers en cryogene koelinstallaties in 's hemelsnaam rekenen?

Dat kan, zegt bijvoorbeeld promovenda drs. B. Terhal van de Universiteit van Amsterdam en het Centrum voor Wiskunde en Informatica (CWI) - zij is bezig met een onderzoek naar de perspectieven van quantumrekenen - omdat een digitale computer in essentie slechts bestaat uit een serie schakelaars die 'aan' of 'uit' kunnen staan. Alle schakelaars met twee standen voldoen: mensen met een arm al dan niet omhoog, evengoed als geladen of ongeladen condensatoren zoals in een elektronische computer.

En in principe kunnen ook quantumsystemen met twee toestanden, bijvoorbeeld atomen in rust - de zogeheten grondtoestand - en in aangeslagen toestand, daarvoor worden gebruikt.

Dat idee werd al begin jaren tachtig geopperd door een Amerikaanse fysicus, P. Benioff van Argonne National Laboratory. Hij vroeg zich af wat er ging gebeuren als de verkleining van chips op het niveau van atomen en elektronen zou belanden, waar de quantumtheorie van toepassing is. In 1985 maakte de Britse theoreticus David Deutsch van de universiteit van Oxford als eerste van de nood een deugd. Hij voorspelde dat echte quantumcomputers veel krachtiger rekenapparaten zouden kunnen zijn dan conventionele computers.

Eén van de basiskenmerken van de quantumtheorie is, dat een systeem, bijvoorbeeld een atoom, tegelijk in een aantal potentiële toestanden is, waarvan er één gekozen wordt op het moment dat er een meting wordt verricht. Volgens de standaardopvatting in de moderne natuurkunde, waarvoor ook experimentele bewijzen zijn aangedragen, bepaalt alleen het toeval welke uitkomst een quantummeting heeft. God dobbelt, hoezeer ook dat iemand als Einstein niet zinde.

Die fundamentele onbepaaldheid staat aan de basis van het quantumrekenen. Een gewone computer die met zestien bits tegelijk werkt, kan in één van 2 tot de macht 16, ofte wel 65.568 toestanden verkeren. In een quantumcomputer met zestien bits bestaan al die toestanden tegelijkertijd. Het rekenapparaat kan daarom meer dan 65 duizend berekeningen simultaan uitvoeren, de programmeur hoeft slechts uit te kiezen wat hij zoekt.

Een favoriete metafoor onder quantumrekenaars: gewone computers spelen met één vinger een melodie op een piano, quantumcomputers zijn een heel symfonie-orkest waar samenspel en interferentie het resultaat bepalen.

Maar hoe mooi dat beeld in theorie ook is, in de jaren tachtig bleef quantumcomputing een werkterrein voor zuivere theoretici omdat praktische problemen onoverkomelijk leken. Quantumrekenen gaat namelijk alleen als er geen enkele verstoring door de buitenwereld kan optreden, wat al buitengewoon lastig is. Maar het is zelfs niet toegestaan te controleren of er onderweg geen fouten worden gemaakt. Gluren is al een fatale verstoring, aldus de wetten van de quantumtheorie, want gluren is ook meten.

Maar de laatste twee jaar gaat het opeens hard. In 1994 bedacht P. Shor van AT & T labs in Murray Hill, New Jersey, een quantum-recept voor het berekenen van de priemdelers van de enorme getallen die worden gebruikt in het versleutelen van berichten. Zulke priemdelers zijn doorgaans de supergeheime sleutels waarover alleen zender en ontvanger beschikken. Shor liet zien dat hij ze veel effectiever zou kunnen berekenen dan met conventioneel rekenwerk.

Shors algoritme wekte alom heftige belangstelling, zelfs al stond het alleen op papier, omdat cryptografie zo'n belangrijk onderwerp is in bijvoorbeeld het bancaire verkeer en bij militaire operaties. Darpa, de Amerikaanse militaire research-organisatie, zette zelfs onlangs met een miljoenenbudget een speciaal instituut voor quantumrekenen op, waarin een aantal Amerikaanse universiteiten deelneemt.

Behalve dat aan de theorie wordt gewerkt, wordt daarbij ook al op enige schaal geëxperimenteerd met tastbare quantumcomputers. In Europa gebeurt dat vooralsnog alleen aan de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk; aan de Technische Universiteit Delft denkt men nog na over een eventueel eigen project.

Het hart van de eerste quantumcomputertjes is één enkel atoom waar de elektronen vanaf zijn gehaald, een ion van het element iridium. Dat wordt opgesloten in een elektromagnetisch veld en sterk afgekoeld, waardoor het nog maar twee energietoestanden kan aannemen. Welke dat is, de één of de nul, is onbepaald. Een logische bewerking van het bit, een omzetting van één naar nul of omgekeerd zoals ook in gewone computers plaatsvindt, is dus eigenlijk twee bewerkingen tegelijk. Dergelijke bewerkingen kunnen met laserpulsen worden uitgevoerd, denken de experimentatoren.

In een echte quantumcomputer zouden duizenden van zulke gekooide ionen samen moeten werken om het geheel daadwerkelijk te laten rekenen. De groep in Innsbruck hoopt in 1998 een drie-bit computer aan de praat te hebben. Hughes in New Mexico wil net na de eeuwwisseling vier bits onder de knie hebben. Gewone pc's draaien tegenwoordig al op 32 bits.

De meeste vorderingen worden nog steeds op het papier van theoretici geboekt. In augustus noteerde het selecte wereldje van quantumrekenaars een nieuw succes, toen een artikel in het tijdschrift Science liet zien dat het ook in quantumcomputers van ionenvallen mogelijk moet zijn om onderweg fouten te corrigeren. Dezer dagen maakte grondlegger Shor van AT & T zelfs een kant en klaar correctie-recept wereldkundig tijdens een informaticacongres in Vermont.

Toepasbaarheid van al die ideeën komt zeker dichterbij. Promovenda Terhal onderzoekt in Amsterdam, samen met haar wiskundige begeleider prof. dr. ir. P. Vitanyi, die in Nederland geldt als de grondlegger van het vak, vooral naar zinnige toepassingen van quantumrekenen. In veel gevallen is dat immers totale overkill, een kanon op een mug.

Maar de omslachtigheid waarmee zelfs de simpelste quantumcomputer nu nog moeten worden bediend, maakt Terhals fysische begeleider, de theoreticus prof.dr. B. Nienhuis van de Universiteit van Amsterdam, sceptisch over toepassingen. 'Een bruikbare quantumcomputer lijkt me nog heel ver weg als je ziet wat daar al allemaal bij komt kijken. Laat ik het zo zeggen: als ik geld had, zou ik het daar niet in investeren. Niet, althans om er wat aan te verdienen. Want mij fascineert wél wat men al doende te weten komt over de quantumtheorie zelf.'

En hij is niet de enige. Want waarvoor hij het laatste jaar ook met mede-fysici spreekt, zodra ze begrijpen dat hij ook in het quantumrekenen zit, wordt hij steevast in detail uitgehoord. Het is dat het onderwerp zo boeiend is, anders zou hij de hype bijna vervelend gaan vinden.

Martijn van Calmthout

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.
© 2019 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden