Katten om mee te rekenen - Dirk van Delft

DELFTSE STROOMPJES STAP OP WEG NAAR QUANTUMCOMPUTER

Delftse fysici zijn er in geslaagd in een ringetje stromen op te wekken die tegelijk linksom en rechtsom lopen. Absurde toestanden die zijn toe te passen in quantumcomputers.

 

Foto-onderschrift:

Meetopstelling met tussen de magneetspoelen de chip waarom de ring is aangebracht. De microgolven bereiken de ring via de kabel. Aluminiumring met drie Josephson juncties, omgeven door een oppikspoel. Afmeting: circa 0,005 mm.

DE KAT VAN Schr÷dinger, tegelijk dood Ún levend en in 1935 in een befaamd Gedankenexperiment door de Oostenrijkse quantumpionier verzonnen, heeft in Delft macroscopische afmetingen aangenomen. Vrijdag kwam de groep van Hans Mooij, aan de TU Delft hoogleraar natuurkunde, in Science met onderzoeksresultaten waar Schr÷dinger van zouden hebben opgekeken en die de buitenstaander absurd zullen voorkomen. In een ijskoud ringetje, zo was de conclusie, liep een stroom tegelijk linksom en rechtsom. Opeens was de `kat' miljarden elektronen groot. Het resultaat biedt een uitgelezen kans om experimenteel te verifiŰren of de quantumtheorie ook op macroscopische schaal klopt. Tegelijk zijn de ringetjes een belangrijke stap op weg naar een quantumcomputer.

In de wereld van het allerkleinste, bevolkt door atomen, elektronen en andere bouwstenen van de materie, gelden vreemde wetten. Is in de huis-tuin-en-keuken wereld een voorwerp op ÚÚn plaats en maakt het niet uit of je kijkt of niet, op microniveau gedragen deeltjes zich als golven met als consequentie dat het beter is te spreken van een wolk. Pas als je kijkt dient zich een positie aan en welke dat is wordt bepaald door een dobbelsteen. De theorie die hiermee uit de voeten kan is nu zo'n driekwart eeuw oud en heet quantummechanica. Volgens deze beschrijving van de natuur is het heel wel mogelijk dat een deeltje zich in meerdere toestanden tegelijk bevindt. Kijken we in het dagelijks leven raar op van een auto die Ún binnen Ún buiten de garage staat, in de quantumwereld is zo'n samengestelde toestand heel gewoon.

Maar tot hoever gaat dat op? Waar eindigt de quantumwereld en begint die van auto's en garages? Het was deze vraag die Schr÷dinger ertoe bracht zijn kat in stelling te brengen.
In gedachten stopte hij een kat in een dichte doos, samen met een radioactief preparaat dat volgens de quantumtheorie bijvoorbeeld een kans van 50 procent had om binnen het uur te vervallen en een stralingsdeeltje uit te zenden. Ook in de doos zat een detector om dat deeltje te registreren, waarna een hamertje een flesje blauwzuur aan scherven zou slaan en het met de kat gedaan was. Zo lang je niet kijkt, zo redeneerde Schr÷dinger, verkeert het preparaat in een samengestelde toestand van wel en niet vervallen, en dus is de kat dood en levend tegelijk. Pas het openen van de doos beslist over zijn lot. Een onacceptabele conclusie en Schr÷dingers gedachtenexperiment was dan ook bedoeld om aan te tonen dat de quantumtheorie voor complexe systemen geen adequate beschrijving oplevert.

Terug naar Delft. Daar deed promovendus Caspar van der Wal begin dit jaar een serie experimenten die de discussies over Schr÷dingers kat nieuw leven inblazen. Met dit verschil dat Van der Wal het niet bij gedachten liet maar met een echte `kat' aan het werk toog. In zijn geval bestond die uit een ring van aluminium, enkele duizendsten van een millimeter groot en aangebracht op een substraat van silicium. Na afkoeling tot 30 milligraden boven het absolute nulpunt (-273 oC) - dit om storende invloeden van de omgeving tot een minimum te beperken - wordt via een uitwendige spoel het ringetje in een magneetveld gezet. Nu is het ringetje bij zulke lage temperaturen supergeleidend, wat wil zeggen dat elektrische stroom geen weerstand ondervindt. In zo'n situatie is volgens de quantumtheorie de omvatte hoeveelheid veldlijnen niet willekeurig, maar een veelvoud van een basisportie: het fluxquantum. Is de aangeboden flux niet een heel aantal van die porties, dan reageert de ring met een compenserende kringstroom om alsnog min of meer op een een geheel getal uit te komen. Een stroom linksom betekent bijvoorbeeld een afronding naar beneden, een stroom rechtsom een afronding naar boven.

linksom Ún rechtsom
Het speciale van het Delftse experiment is dat de ring een half quantum kreeg aangeboden. Als reactie ontstaat linksom of rechtsom een stroom, in dit geval van gelijke sterkte. Beide richtingen corresponderen met een `dode' dan wel `levende' kat, weliswaar niet van vlees en bloed maar niettemin bestaande uit miljarden elektronen. De vraag is nu of in dit macroscopische systeem sprake is van een samengestelde toestand: linksom Ún rechtsom tegelijk. Zo'n samengestelde toestand is op twee manieren te maken, als optelsom en als verschil. Omdat beide varianten iets in energie verschillen zijn ze in elkaar om te zetten door toevoeging van microgolven met precies die frequentie om het gat te overbruggen. Anderom geredeneerd: wanneer blijkt dat van buitenaf ingestraalde microgolven van de juiste frequentie door het systeem worden geabsorbeerd, is dat een bewijs dat er inderdaad sprake was van een samengestelde toestand. Waarmee de kat van Schr÷dinger macroproporties zou krijgen.

Begin dit jaar bleek dit inderdaad het geval. Om aan het systeem te meten was in Delft om de aluminium ring een tweede ring gelegd. Die stelt vast in welke richting de stroom draait en geeft die informatie door aan de buitenwereld. Mooij: ``Dat is heel subtiel, voor je het weet be´nvloedt zo'n oppikspoel je systeem te veel en maakt hij de samengestelde toestand kapot. Met bloed zweet en tranen zijn we aan het uitvinden hoe we tussen alle klippen door kunnen laveren. In het nu gepubliceerde experiment was de koppeling tussen ring en oppikspoel zo zwak dat we ettelijke duizenden keren hebben moeten meten om een uitspraak te kunnen doen. Over twee weken begint in een nieuwe meetopstelling een vervolgexperiment met een beter ontwerp. Tenminste, dat hopen we want het blijft toch ook intu´tie.''

De nu gepubliceerde resultaten zijn in maart van dit jaar, toen de metingen net achter de rug waren, in Minneapolis gepresenteerd op de jaarbijeenkomst van de American Physical Society. Onderzoekers van de State University of New York in Stony Brook kwamen op die bijeenkomst met een vergelijkbaar experiment dat op 6 juli in Nature is gepubliceerd. Zonder verwijzing naar Delft. ``Daar waren we toen een beetje boos over'', zegt Mooij. ``Dat het artikel ons niet noemde valt nog te begrijpen, al zouden wij een andere keuze gemaakt hebben. Wij hadden immers nog niet gepubliceerd. Maar dat we ook in het begeleidende commentaar ontbraken was vervelend, te meer daar de auteur ons werk goed kent. Achteraf vond hij het vreselijk en heeft hij zich verontschuldigd. Overigens zijn ze in Stony Brook al vijftien jaar met dit soort zaken bezig en wij pas een jaar.''

Het Delftse experiment vloeit rechtstreeks voort uit de wens om op basis van de ringetjes een quantumcomputer te bouwen. Die werkt niet met bits die ˇf een 0 ˇf een 1 aangeven maar met qubits die een samengestelde toestand van beide mogelijkheden representeren. Door qubits aan elkaar te koppelen ontstaat een computer die bij hetzelfde aantal bits veel meer bewerkingen aankan dan een klassieke computer. Notoir lastige problemen, zoals reuzengetallen ontbinden in de samenstellende priemfactoren, zijn dan opeens stukken eenvoudiger op te lossen.

zwakke koppelingen
Vorig jaar augustus publiceerde Mooij in Science het idee voor de ring die nu in Delft is toegepast. Hij is zo ontworpen dat de samengestelde toestand lang genoeg van de omgeving is afgeschermd om toekomstige rekenoperaties de tijd te geven. Essentieel in het ontwerp - dat Mooij ontwikkelde in samenwerking met Amerikaanse collega's toen hij op het MIT (Massachusetts Institute of Technology) visiting professor was - is dat de ring op drie plaatsen Josephson juncties bevat: zwakke koppelingen tussen twee supergeleiders die nodig zijn om de overgang van de ene naar de andere samengestelde toestand mogelijk te maken. Qubits van dit type zijn veel beter te besturen dan in concurrerende systemen en zijn bovendien met bestaande technologie te verwezenlijken. Mooij: ``Om een quantumcomputer te bouwen die echt wat kan moet je duizenden van die ringetjes naast elkaar leggen. Honderd om te rekenen en de rest voor registers en foutencorrectie. Voorlopig zijn we al blij met twee of drie en zodra je bij zeven of acht bent is het op universitair niveau afgelopen en moeten grotere laboratoria het overnemen. Eer die quantumcomputer er staat zijn we tientallen jaren verder.''

Parallel aan het werk aan de quantumcomputer staan experimenten op stapel die moeten uitwijzen of de macro-kat netjes aan de regels van de quantumtheorie gehoorzaamt. ``Over twee weken begin ik een proef die daar hopelijk licht op werpt'', zegt Van der Wal bij zijn nieuwe opstelling. Die is trillingsvrij uitgevoerd zodat dichtslaande deuren en autoverkeer de metingen minder kunnen versteren. ``Je bent voortdurend bezig om spullen die gewoon te koop zijn om te bouwen tot iets waar je wat mee kan.'' Co-promotor Kees Harmans, die in Delft al heel wat experimentele huzarenstukjes tot stand heeft gebracht, knikt. ``Alles oneigenlijk gebruiken, dat is de kunst.''