Delftse Spinozawinnaar heeft opvallende plannen
Hij maakte ’s werelds eerste quantummechanische berekening. Lieven Vandersypen ontvangt dit jaar de Spinozapremie om de weg te effenen voor quantumcomputers. “Ik heb grote moeite met mensen die verzinsels de wereld in slingeren.”
As je hem tien, vijftien jaar geleden vroeg wanneer de eerste quantumcomputer nu eindelijk eens uit het lab tevoorschijn zou komen, dan zou de hoogleraar in de quantum-nanowetenschappen enigszins somber opmerken dat dit wellicht nooit zou gebeuren. “De quantumcomputer is misschien niet haalbaar”, zei Lieven Vandersypen in 2007 toen hij was benoemd tot Antoni van Leeuwenhoekleraar.
Die uitspraak werd hem niet door iedereen in dank afgenomen. Maar Vandersypen had er een hard hoofd in. Zijn elektronen op chips van de halfgeleider galliumarsenide wilden zich maar niet laten temmen.
Tien jaar later liggen de kaarten anders. Vandersypen, inmiddels ook wetenschappelijk directeur van QuTech (een samenwerkingsverband tussen de TU Delft en TNO op het gebied van de quantumtechnologie), stapte over op silicium chips. Een trits publicaties in bladen als Nature en Science volgde over de wonderbaarlijke gedragingen van elektronen op deze chips. Op galliumarsenide hielden de elektronen zich maar 10 nanoseconden in het gareel. Zie daar maar berekeningen mee uit voeren.
Maar nu, op silicium, zijn ze tienduizendmaal zo lang aan te sturen. “Ons onderzoek is in een stroomversnelling gekomen”, zegt de hoogleraar.
Dat laatste viel de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) ook op. De onderzoeksfinancier reikt dit jaar een van de vier Spinozapremies – ook wel de ‘Nederlandse Nobelprijzen’ genoemd – uit aan de Delftenaar. Hij krijgt 2,5 miljoen euro, die hij naar eigen inzicht kan besteden aan wetenschap.
Gefeliciteerd. U moet de weg effenen voor de quantumcomputer. Voelt het als een zware last?
“Nee. Het is super. De erkenning doet me veel plezier. Het is een vrijbrief. Ik hoef nu niet meer voor elk nieuw idee fondsen aan te schrijven en maanden te wachten op de beslissing, maar kan naar believen mensen aannemen en apparatuur kopen. Ik voel geen druk. Ik doe al 25 jaar onderzoek naar quantumrekenen en ik ben daarmee gekomen waar ik nu ben. Ik doe mijn best. Meer kan ik niet doen.”
Al tijdens zijn promotieonderzoek realiseerde Vandersypen zijn eerste wereldwijde primeur: hij gebruikte de spins van atoomkernen in moleculen als qubits, en wist met zeven van deze qubits het getal 15 te ontbinden in de factoren 3 en 5. Hiermee bewees hij dat het rekenen met qubits niet alleen theoretisch, maar ook in de praktijk mogelijk is.
In jullie laatste artikelen hebben jullie het over ‘a programmable two-qubit quantum processor in silicon’. Zijn jullie nu weer terug naar twee qubits?
“We werken nu met meer bits dan dat en we hebben de methoden om op te schalen verbeterd. Hoeveel bits kan ik niet zeggen. We hopen er binnenkort over te publiceren. Sommige tijdschriften vragen of je de bevindingen niet vooraf elders publiceert. Maar minstens zo belangrijk: we hebben veel betere controle gekregen over de elektronen. Dat is van groot belang als je er berekening mee wilt uitvoeren. Die spins moeten allemaal een dans uitvoeren. Ik ben de choreograaf die de cadans bepaalt.”
Dat is mooie analogie voor een technologie die voor veel mensen onbegrijpelijk is. Een technologie waarvan de belofte – de quantumcomputer – bovendien omgeven is door veel onzekerheid. Worstelt u daar weleens mee?
“Ik vind dat soms lastig. Mijn vrouw is huisarts. Ze helpt elke dag mensen en krijgt direct feedback. Ik krijg natuurlijk ook wel feedback van studenten, maar qua onderzoek…. Het is nog onduidelijk wat het de maatschappij oplevert. Het is op de lange termijn gericht.”
Met het geld van de Spinozapremie mag u doen wat u wilt, zolang het de wetenschap dient. U gaf al aan meer mensen te willen aannemen en apparatuur te kopen. Heeft u ook andere plannen?
“Er is iets wat me nauw aan het hart ligt. Meisjes en jonge vrouwen kiezen zelden voor exacte studies als natuurkunde, of technische studies. Terwijl de intrinsieke motivatie er vaak wel is. Iets maakt dat ze ervan af zien. Mogelijk heeft het met beeldvorming te maken. En ik denk dat meisjes zichzelf vaak te laag inschatten. Laatst hoorde ik een conversatie van enkele studentes die voor een honours programma waren aangenomen (een speciaal programma voor zeer getalenteerde studenten, red.). Ik hoorde ze twijfelen of ze wel goed genoeg waren. Jongens hoor je niet snel zulke twijfels uiten. Ik ben op zoek naar initiatieven die ik kan ondersteunen om meer meisjes voor bijvoorbeeld natuurkunde te laten kiezen.
En dan is er nog iets. Ik wil dat meer mensen het onderscheid leren maken tussen verzinsels en wetenschappelijk onderbouwde beweringen.”
Kunt u dat toelichten?
“We hebben met grote uitdagingen te maken op het gebied van klimaat, energie en gezondheid. Ik respecteer mensen die twijfelen of ze het coronavaccin moeten nemen omdat ze bang zijn dat het hun gezondheid schaadt. Maar ik heb grote moeite met mensen die verzinsels de wereld in slingeren. Informatie moet kloppen. Natuurlijk, in de wetenschap zijn de zaken ook zelden zwart-wit. Wetenschappers zijn het vaak met elkaar oneens. Maar de discussies zijn van een andere orde. De wijze waarop maatschappelijke discussies worden gevoerd, ondermijnt de democratie. Ik zou onder meer willen kijken of het mogelijk is om lesmateriaal te ontwikkelen voor het pabo-onderwijs zodat leerkrachten goed uitgerust worden om met deze problematiek om te gaan en kinderen kunnen voorbereiden.”
Tot slot heeft u nog een tip.
“Iedereen die zich meer in quantumrekenen wil verdiepen, raad ik aan om in te loggen op ons quantumsysteem via quantuminspire.com.”
Is dat een simulatie waarmee je kunt zien hoe quantumrekenen in zijn werk gaat?
“Nee, het is een echte quantumcomputer. Of nou ja, een prototype. We hebben een systeem met enkele qubits die zich gedragen zoals quantumbits in een echte quantumcomputer zich moeten gaan gedragen. En daar kun je simpele berekeningen mee uitvoeren. We hebben ze hier in twee koelsystemen in een lab staan. We gebruiken ze verder niet voor ons onderzoek, ze zijn alleen bedoeld voor mensen die willen experimenteren.”
Qubits
De qubits waar Vandersypen en zijn collega’s mee werken, bestaan uit afzonderlijke elektronen die met behulp van elektrische spanningen op elektrodes opgesloten zitten in het silicium. Met magnetische en elektrische velden kunnen de onderzoekers de spin (de draairichting) van de deeltjes aansturen. Net als met transistors op chips in de huidige computer moet het mogelijk zijn qubits aan elkaar te koppelen op een chip.
Het grote voordeel is dat de elektronen niet zoals een normale bit twee toestanden kent: nul of één, maar dat hij ook nul en één tegelijk kan zijn. Superpositie heet dit. Het is van de ongerijmde fenomenen uit de quantummechanica: het deeltje kan linksom en rechtsom tegelijk draaien. Drie qubits kunnen daardoor twee tot de derde (acht) getallen tegelijk bevatten. En tien qubits twee tot de tiende, oftewel 1024.
In al die verschillende combinaties kan de computer tegelijkertijd berekeningen uitvoeren. De hoop is dat quantumcomputers daardoor ingewikkelde rekenproblemen kunnen oplossen die zelfs voor de beste supercomputers te omvangrijk zijn.