Artikel - Groeibriljant
Groeibriljant
De kwantumcomputer en absoluut veilige kwantumcommunicatie waren lang meer fictie dan wetenschap. Maar wellicht kan het Delftse Kavli Instituut al over vijf jaar een diamant maken die in wezen een kwantumcomputer is.
Het was niet slechts wetenschappelijk nieuws, het was nieuws, zelfs de New York Times pikte het op: het ‘Diamant team’ van het Kavli Instituut van de TU Delft kan sinds dit jaar informatie gegarandeerd veilig versturen; fouten door ruis op de lijn of afluisteren zijn uitgesloten. Nu werd slechts de kwantumtoestand van één atoom geteleporteerd van de ene kant van een labtafel naar de andere, drie meter verderop, maar zulke teleportatie van informatie zal de hoeksteen vormen van een absoluut veilig kwantuminternet. In hetzelfde team worden, op basis van dezelfde technologie, forse stappen gezet richting de kwantumcomputer.
Hoofd van het Diamant Team, Ronald Hanson, durft een voorspelling aan: hij schat dat zijn groep over een jaar of vijf, in een piepklein kunstdiamantje, iets kan maken dat in essentie functioneert als een kwantumcomputer die net zo krachtig is als de beste ‘klassieke’ supercomputer nu.
De bouwstenen van een klassieke computer zijn transistors, elektrische schakelaartjes die ‘aan’ of ‘uit’ staan, waaraan je de waardes 0 of 1 toekent, en daarmee kun je rekenen en data verwerken. In de chip van elke pc of elk mobieltje zitten er miljoenen. Maar de kwantumcomputer bestaat uit qubits: schakelaartjes die in twee standen tegelijk kunnen staan, die zowel de waarde 0 als 1 hebben (dat klinkt onbegrijpelijk, maar niemand begrijpt met zijn gezond verstand de wantumwereld).
Qubits hebben nog iets raars: ze kunnen met elkaar ‘verstrengeld’ zijn. Dit betekent dat twee (of meer) qubits een gedeelde identiteit hebben: alles wat met de een gebeurt, heeft onmiddellijk invloed op de toestand van de ander, zonder dat er fysiek een signaal van de een naar de ander gaat. Het maakt daarom niet uit hoever twee verstrengelde qubits van elkaar verwijderd zijn.
Kooitje
In het teleportatie-experiment van Hanson waren vooraf qubits met drie meter tussenruimte verstrengeld. Door subtiele manipulaties met lasers en microgolven nam een van de qubits de eigenschappen van een naburig atoom over, en door aan de andere qubit de juiste metingen te doen, werd dit gedwon-gen om de kwantumtoestand van het atoom exact over te nemen. Let wel: zonder dat een signaal tussen beide oversteekt, vandaar dat afluisteren van verstrengelde qubits onmogelijk is.
In een kwantumcomputer zal slechts een handjevol verstrengelde qubits hetzelfde presteren als de miljoenen transistors in een klassieke computer. Hanson: ‘Bij dertig qubits ligt de grens die overeenkomt met de rekencapaciteit van de krachtigste supercomputer die er nu is. Dat betekent dat we nu ook niet in staat zijn om precies te simuleren hoe een kwantumcomputer van 31 qubits zich zal gedragen.’
Fysiek kan een qubit een atoomkern zijn, of een elektron, of het fameuze Majorana-deeltje, dat door Hansons collega een paar deuren verder, Leo Kouwenhoven, in 2012 is ontdekt. Hoewel nog niet zeker is wat de meest geschikte qubit zal zijn, zet Hansons groep in op elektronen in een kooitje van diamant. Diamant bestaat uit koolstofatomen, die netjes gerangschikt zitten in de kristalstructuur van het diamant. Door een soort holte ter grootte van één atoom in het kristal te maken, kun je daar een los elektron in parkeren dat te manipuleren is.
De laatste jaren is op het Kavli Instituut en elders in de wereld enorme vooruitgang geboekt in het manipuleren van qubits, die normaliter extreem kwetsbaar zijn voor storingen. Hanson: ‘We kunnen onze qubits nu 50 milliseconden verstrengeld houden, maar ik schat dat een paar seconden ook haalbaar is.’ Voor de kwantumcomputer en teleportatie is een seconde bijna een eeuwigheid.
Geheimschrift
Teleportatie en de kwantumcomputer waren lang meer fiction dan science, maar de recente vooruitgang is indrukwekkend. Zelfs Microsoft stopt nu miljoenen in een nieuw instituut op de TU Delft, Q-tech. Dit zal zich helemaal richten op het opschalen van de ontdekkingen die onderzoekers als Hanson en Kouwenhoven doen.
Hanson: ‘Ik denk dat we over een jaar of vijftien een kwantumcomputer met 1000 qubits kunnen maken.’ Dan komen fantastische toepassingen in zicht: ‘Je kan denken aan het volledig doorrekenen van de werking van biologische moleculen in het lichaam.’ Zo zou de kwantumcomputer vanaf de tekentafel een effectief medicijn tegen Alzheimer kunnen ontwerpen. Maar ongetwijfeld kan die kwantumcomputer ook rekenklussen aan waar we nu nog geen idee van hebben.
Anderzijds vormt de kwantumcomputer ook een dreiging. Zo kan hij RSA kraken, het tot nu toe onkraakbare geheimschrift dat onder meer internetbankieren beveiligt. Gelukkig bestaan er alternatieven voor RSA die niet gevoelig zijn voor aanvallen met de kwantumcomputer, maar die worden nog nauwelijks toegepast.
Je zou kunnen denken: Nou en, we hebben toch nog vijftien jaar de tijd? Maar dat is niet waar. De NSA en andere geheime diensten zijn ongetwijfeld nu al bezig om afgeluisterde, met rsa gecodeerde data op te slaan, in afwachting van het moment dat ze die dankzij de kwantumcomputer kunnen lezen. Voor alles wat lang geheim moet blijven, kun je rsa nu al niet meer gebruiken. Wat Ronald Hanson en zijn groep aan het doen zijn in een schemerige kelder onder gebouw 22 van de TU Delft werpt zijn schaduwen ver vooruit.
Dit artikel verscheen ook in de VPRO-Gids.
