De genezing van dodelijke ziektes, het vruchtbaar maken van woestijnen, het doorgronden van de zwaartekracht: de quantumcomputer kan het straks allemaal. Huidige computers zullen ernaast verbleken.

Bedrijven als Google, IBM, Microsoft en ook de EU investeren miljarden om de eerste te zijn met een goed werkende quantumcomputer. Degene die daarin slaagt, bezit de heilige graal van de natuurkunde. Microsoft heeft zijn pijlen gericht op de Nederlandse onderzoeker Leo Kouwenhoven en zijn Qutech-team.

Als eerste ter wereld Majorana-deeltjes meten

In 2012 zette Kouwenhoven de wetenschappelijke wereld op zijn kop door als eerste ter wereld het Majorana-deeltje te meten. 75 jaar lang is gezocht naar deze mysterieuze Majorana-deeltjes, die wetenschapper Ettore Majorana al in 1937 voorspelde. Sinds de deeltjes in 2012 opdoemden in het lab van Kouwenhoven is Delft niet alleen bekend door zijn blauwwitte porselein, maar ook als kloppend hart van de quantummechanica.

De Majorana's worden beschouwd als de meest geschikte bouwstenen voor een quantumcomputer. In ijskoude cilinders, op een temperatuur van -273 graden, probeert Kouwenhoven er nu mee te vlechten. "Als het komend jaar lukt om met twee Majorana-deeltjes een knoop te maken hebben we de ideale qubit. En dan kunnen we beginnen met het bouwen van de quantumcomputer."

Zo werkt een quantumcomputer.

Op twee plekken tegelijk

Onze huidige computers werken met bits, maar voor de quantumcomputer zijn qubits (quantumbits) nodig. Qubits gedragen zich anders dan bits, die binair zijn. Bits kunnen, net als een mens, stoel of een knikker niet op twee plekken tegelijk zijn. Een bit is ofwel een 0 ofwel een 1, maar nooit een 0 of 1 tegelijk.

Qubits zijn nanodeeltjes en kunnen wel op twee plekken tegelijk zijn. Ze kunnen een superpositie aannemen en zijn dus quantum. "Dat maakt de quantumcomputer ongelooflijk snel. Iets waar een gewone computer een paar jaar op moet rekenen, kan een quantumcomputer in een paar seconden uitrekenen", zegt Kouwenhoven. "De huidige computers gaan erbij verbleken. Die zijn dan te vergelijken met een telraam naast een rekenmachine."

Niemand begrijpt hoe, maar het werkt

Het moeilijke aan de hele quantummechanica is dat we niet kunnen zien wat er gebeurt. Nobelprijswinnaar Robert Freyman stelde al over quantummechanica dat het 'veilig is om te zeggen dat niemand het begrijpt'.

"Als je als mens tijdens berekeningen van een quantumcomputer wilt meekijken, verdwijnt de superpositie. De qubits schieten meteen terug naar hun vaste plek en de informatie wordt weer binair. Dat komt omdat we als mens niet in staat zijn om quantum te kijken. Door mee te kijken verander je dus de uitkomst van een meting", legt Kouwenhoven uit.

Binnen een seconde uit het doolhof

Kouwenhoven legt de werking van een quantumcomputer uit aan de hand van een doolhof. "De quantumcomputer heeft een helikopterview en zoekt van boven naar de snelste uitgang. De qubits zijn tijdens de meting overal tegelijk in het doolhof aanwezig en daardoor is de snelste route in een fractie van een seconde gevonden. Maar als we als wetenschappers zouden meegluren staan we meteen weer in dat tweedimensionale doolhof en is de helikopterview verdwenen. Dus we kunnen pas meekijken als de uitgang is gevonden. Dat maakt het ongrijpbaar maar o zo fascinerend."

Benne de Weger
Bron: eigen materiaal
De leden van PQCRYPTO werken aan nieuwe quantumbestendige cryptografie

Zegen en vloek tegelijk

Behalve oplossingen zal de quantumcomputer ook problemen brengen. "Medische dossiers, bankgegevens maar ook staatsgeheimen zullen niet meer beschermd zijn", zegt Benne de Weger, universitair hoofddocent cryptanalyse aan de TU Eindhoven. "Een 'gewone' binaire computer heeft een miljoen jaar nodig om een versleuteling te kraken, maar een quantumcomputer kan dat in een paar uur."

Samen met onderzoekers van elf universiteiten en bedrijven werkt De Weger in het onderzoeksconsortium PQCRYPTO aan nieuwe cryptografie. "Ik ben niet zozeer een maker, maar meer een codekraker. Vergelijk het met een crashtest of een stresstest. Ik kijk hoe snel een code kapot kan."

Dichter bij de natuur met quantum

Kouwenhoven verwacht dat de quantumcomputer de mens dichter bij de natuur zal brengen. "Want bedenk je: elke chemische reactie in ons lichaam is ook quantum. Maar omdat we als mens alleen binair kunnen denken, zien we de quantumwerkelijkheid niet."

"We zijn als gevangenen in een grot die alleen de schaduwen op de rotswand zien en echo's horen. De bron van de geluiden en de schaduwen zien we niet, waardoor de echo's en schaduwen onze enige werkelijkheid zijn. Maar er is meer, en de quantumcomputer gaat het ons tonen", vertelt Kouwenhoven.

Kijk hier de tv-reportage

info

Documentaire De Race

Documentairemaker David Kleijwegt volgde Kouwenhoven en zijn team sinds de ontdekking van de Majorana-deeltjes. "Ik vond het een enorme uitdaging om een documentaire te maken over een proces dat wij als mens niet kunnen waarnemen en niet kunnen begrijpen", vertelt Kleijwegt.

"Er is een groot verschil tussen datgene wat Leo niet begrijpt en wat ik niet begrijp. Zelfs na zes jaar kan ik het onderzoek van Leo alleen maar uitleggen door wat mij tijdens het filmen is verteld. Reproduceren dus. Echt begrip is echt wat anders. Maar dat de quantumcomputer onze levens zal veranderen staat vast."

De documentaire De Race is maandag 4 februari om 20.25 uur op NPO2 te zien.