Hoofdbanner

Richard Feynman opperde in 1981 voor het eerst het idee dat je de bizar vreemde eigenschappen van de quantummechanica kunt gebruiken om ingewikkelde berekeningen te doen. Achteraf kun je stellen dat dit de geestelijke geboorte was van de quantumcomputer. De tegenwoordig gebruikte pc (= personal computer) moest toen nog op de markt komen. Dat gebeurde in 1983. Richard Feynman had een vooruitziende blik.
Niet dat de quantumcomputer nu al bestaat. Oh nee, hij verkeert nog in een beginstadium van ontwikkeling. Maar dat ie er aan komt, staat vast. Het kan 10 jaar duren, hooguit 20 jaar, maar de quantumcomputer zal de wereld veroveren en een nieuwe digitale revolutie veroorzaken.

Wat onderscheidt de toekomstige quantumcomputer van de huidige gewone computer? Daartoe moeten we eerst de quantummechanica induiken. Twee verschijnselen zijn daar van essentieel belang, namelijk superpositie en verstrengeling. Het bizarre is dat wij deze twee zo belangrijke verschijnselen niet kunnen begrijpen, verklaren of aanvoelen. Ze zijn in volstrekte tegenspraak met de ons bekende omringende wereld, in de natuurkunde uitgedrukt door middel van de wetten van Newton. Toch bestaan ze, getuige de uitkomsten van experimenten. Maar, deze uitkomsten zijn zo onlogisch dat iedereen hier afhaakt. Elke natuurkundige legt zich hier bij neer. Kennelijk is er een grens aan onze manier van de wereld begrijpen. Richard Feynman zei ooit: "Degene die beweert dat hij quantummechanica begrijpt is òf gek, òf hij liegt."

Superpositie
In de ons bekende wereld zijn plaats en getal duidelijk gedefinieerd. Iemand kan maar op één plek tegelijk zijn. Gewone computers werken met een 0 en een 1. Er zijn bij één bit dus twee mogelijkheden. Bij twee bits heb je vier mogelijkheden, bij drie bits acht etc. 
In de quantummechanica, die opgaat voor het gebied van de kleinste deeltjes zoals elektronen, is dat allemaal anders. Daar zijn ingenieuze experimenten mee gedaan. Het begint met het beroemde dubbele spleet experiment van Thomas Young uit 1801. Toentertijd wist hij hiermee aan te tonen dat licht een golfkarakter had. Achter de twee spleten ontstonden immers op een scherm interferentiepatronen. De verschillende lichtgolven versterkten elkaar of doofden elkaar uit.
In 1961 deed Claus Johnson ditzelfde experiment met elektronen in plaats van met licht. Elektronen zijn deeltjes, maar ook nu ontstond er op het scherm achter de twee spleten een interferentiepatroon. Kennelijk kunnen elektronen elkaar versterken of uitdoven, hetgeen zou aantonen dat elektronen ook een golfkarakter hebben. De Broglie had dit al in 1924 geopperd, maar nu werd het experimenteel bevestigd. Overigens is uit dit gegeven de tegenwoordig veel gebruikte elektronenmicroscoop ontwikkeld. Deze maakt het mogelijk duizend keer zo scherp waar te nemen als met de gewone lichtmicroscoop (die haar begrenzing vindt in de grootte van een lichtdeeltje, zo'n 300 tot 700 nm).
Echter, het kon nog vreemder. Tot dan toe dacht men dat elektronen met elkaar interfereerden. De golven van het ene elektron zouden die van de ander versterken of uitdoven. Maar, het tweespletenexperiment dat in 1974 door drie Italiaanse fysici* werd uitgevoerd zette ook deze wereld op zijn kop. Ze vuurden nu steeds één afzonderlijk elektron op de twee spleten af. Op het scherm verscheen ook nu een interferentiepatroon! Dat betekent dat één elektron kennelijk met zichzelf kan interfereren. Daartoe moet ie door de twee spleten tegelijk zijn gegaan. Dus, op een bepaald moment was ie op twee plaatsen tegelijk. Dit tegelijk op meerdere plaatsen tegelijk aanwezig zijn komt door de zogenaamde superpositie. Dit is kort samengevat, het zich bevinden in verschillende toestanden tegelijk. In de gewone wereld kennen wij dit niet, in de quantummechanica komt dit veelvuldig voor.

Verstrengeling

Kleine deeltjes zoals elektronen blijken verstrengeld te zijn, dat wil zeggen, ze delen quantumeigenschappen met naburige deeltjes. Bijvoorbeeld, wanneer het ene elektron linksom om zijn as tolt, dan tolt het andere elektron rechtsom om zijn as. Op een bepaalde manier vullen ze elkaar aan en sluiten ze elkaar uit. Ze vormen als het ware één systeem. De natuurkundige Wolfgang Pauli heeft hier duidelijke regels voor opgesteld die in de praktijk altijd opgaan (het zogenaamde uitsluitingsprincipe van Pauli). Weet je de informatie van het ene deeltje, dan ligt de informatie van het andere deeltje vast. Zodra je waarneemt, dat wel. Vòòr de waarneming bevinden de deeltjes zich in allerlei toestanden tegelijk, volgens de zojuist besproken superpositie. Waarneming betekent dat je één toestand overhoudt en de rest kwijt bent. Maar dan ligt de verstrengelde toestand ook vast. Zo kun je informatie los van tijd en ruimte overbrengen. Teleportatie, wordt dit ook wel genoemd, hoewel er feitelijk geen materie wordt verplaatst zoals bij de tv-serie Startrek, maar alleen nog informatie.
Die verstrengeling vindt overal plaats, maar op grotere schaal is ze zo ingewikkeld en zijn er zoveel verbanden dat we er in de praktijk niets van merken. Ze heffen elkaar als het ware op. Alleen op kleine schaal, bij individuele deeltjes, speelt het een zodanige rol dat we er gebruik van kunnen maken. 

Deze combinatie van superpositie en verstrengeling bepaalt de rekenkracht van de quantumcomputer. Deze is onnoemelijk veel groter dan die van een gewone computer. Door de superpositie is er niet langer sprake van een 0 of een 1, maar van een 0 en een 1 tegelijk. Zo'n bit van een quantumcomputer heet een qubit. Door de verstrengeling gaan de diverse qubits op een ingewikkelde manier samenwerken, waardoor de rekenkracht vergroot wordt met een factor 2n, waarbij het getal n staat voor het aantal bits. Met andere woorden: een quantumcomputer met 1000 bits kun je vergelijken met een klassieke computer met 21000 = bijna oneindig aantal mogelijkheden.

De laatste tien jaar is er veel vooruitgang geboekt in het ontwikkelen van de quantumcomputer. Nederland loopt hierbij voorop. Met name op de TU Delft, de TU Eindhoven en de Radboud Universiteit Nijmegen vindt baanbrekend onderzoek plaats. Hoe de quantumcomputer precies vorm zal krijgen, is onduidelijk. De Nederlander Leo Kouwenhoven experimenteert in Delft met de zogenaamde majoranadeeltjes, Leo Hanson (ook in Delft) probeert elektronen in diamant te vangen door in het rooster een putje te creëren, anderen doen het met behulp van siliciumtransistoren, weer anderen met twee minuscule platen waar elektrische lading kan worden opgeslagen.
Er rijzen nog talloze problemen voordat de eerste echt werkende quantumcomputer er zal zijn. Bij voorbeeld, door de verstrengeling kan informatie niet tussentijds gelezen worden. Alle gegevens zouden in één keer vernietigd worden. Hoe los je dat op? Ook de grootte van de toekomstige quantumcomputers zijn een probleem. Ze hebben fysiek veel ruimte nodig. Denk daarbij aan een opslagplaats als een grote schuur. Individuele mensen zouden dan daarop in kunnen loggen, werkend als in een soort van cloud. 
Daarnaast, quantumcomputers hebben zoveel rekenkracht dat alle codes (die gebaseerd zijn op algoritmes van priemgetallen), wachtwoorden etc. zo gekraakt kunnen worden. Dat vraagt om een nieuw soort beveiliging. Een quantumbeveiliging, waar overigens sommige overheden en bedrijven al mee bezig zijn. Zij voorzien echt wel de chaos die op korte termijn kan ontstaan.
Hoe het zich ook ontwikkelt, boeiend blijft het. Een nieuwe techno-revolutie komt eraan. 


* In 2002 is dit experiment door de lezers van het vakblad Physics World uitgeroepen tot het mooiste natuurkunde-experiment allertijden


Literatuur: De Quantumcomputer - George van Hal