Het wordt nogal een gevaarte, de nieuwe computer die de wetenschap ergens in de komende twintig jaar hoopt af te krijgen. Denk bij de ‘kwantumcomputer’ aan een kamervullend gevaarte, met lasers, ontzaglijke magneetspoelen en vacuümkamers waarin het kouder is dan in het heelal. Maar dan heb je ook wat: een griezelig snel rekenmonster, dat alle rekenrecords in een handomdraai verpulvert. Kwantumcomputers zijn al snel miljarden keren rapper dan álle computers op aarde bij elkaar opgeteld. De kwantumcomputer werkt dan ook volgens de rare regels van de kwantummechanica, de natuurkunde van het allerkleinste. Gewone computers werken met nullen en enen, maar kwantumcomputers hebben als rekeneenheid de ‘qubit’, een bit die behalve nul en één ook nul én één tegelijk kan zijn. Koppel een reeks van die qubits aan elkaar, en je krijgt een computer die talloze berekeningen parallel uitvoert, net alsof je een grote hoeveelheid klassieke computers tegelijk aan het werk zet. Voor elke qubit die je erbij stopt, neemt de rekensnelheid exponentieel toe. Maar voor het zo ver is, moet er nog veel gebeuren. Leo Kouwenhoven en collega’s van de Technische Universiteit Delft hebben nu een belangrijke stap gezet, melden ze in Nature. Ze hebben een techniek ontwikkeld om afzonderlijke, tot qubit omgetoverde elektronen ‘uit te lezen’. Plat gezegd: ze hebben een beeldscherm bedacht om de rekenuitkomsten van de kwantumcomputer te bekijken. Dat ‘beeldscherm’ bestaat uit een extreem klein kristalletje, een zogeheten kwantumstip. Daarmee vangen de onderzoekers een afzonderlijk elektron. Heeft het elektron ‘spin omhoog’, dan ontsnapt het. Maar heeft het 'spin omlaag’, dan blijft het gevangen zitten op de kwantumstip. Vervolgens wordt met behulp van een ander elektriciteitsstroompje gemeten of er al dan niet een elektron op de kwantumstip zit. Het gevolg: een elektrisch signaaltje, dat aangeeft hoe de spin van het elektron zit. Daarop zitten natuurkundigen al jaren te wachten. In theorie is het namelijk mogelijk om elektronen te veranderen in qubits, door informatie op te slaan op hun spin. Maar wil je daar vervolgens iets mee kunnen, dan moet je wél een manier bedenken om de afzonderlijke elektronspins te lezen. Het grote voordeel van het Delftse systeem is dat het in theorie makkelijk is uit te breiden, vertelt onderzoeker Jeroen Elzerman. “Het is relatief eenvoudig om nog zo’n ‘quantum dot’ te bouwen. Dat biedt perspectief voor de toekomst.” Erg handzaam is de opstelling overigens niet. De chip waarop het uitlezen plaatsvindt, is onderworpen aan een verpletterend magneetveld van 10 Tesla, en wordt gekoeld tot 20 duizendste graad boven het absolute nulpunt van min 273 graden Celsius. Elektronen zijn overigens niet de enige objecten die je kunt omtoveren tot qubit. Eveneens in Delft werkt de groep van fysicus Hans Mooij bijvoorbeeld met een ‘flux-qubit’. Dat is een klein ringetje, waarin elektronen behalve linksom of rechtsom ook linksom én rechtsom tegelijk kunnen lopen. “We weten nog niet goed wat de voordelen en de nadelen zijn van de verschillende kandidaat-qubits,” zegt Elzerman. “Vandaar dat het goed is dat er aan meerdere benaderingen tegelijk wordt gewerkt.” Tegelijk met de publicatie van de Delftse vondst in Nature, meldt ook een Amerikaanse onderzoeksgroep de spin van een individueel elektron te hebben gemeten. “Maar die groep maakt volgens mij toch gebruik van een minder handig systeem,” zegt Elzerman. Zo zou het Amerikaanse systeem niet goed zijn uit te breiden met meerdere qubits. Voor een echte kwantumcomputer is dat een keiharde voorwaarde: kwantumcomputers spreiden hun wonderlijke snelheid pas ten toon vanaf een qubit of honderd. Voor de Delftse groep is de volgende stap nu om de elektronen in kwantummechanische ‘superpositie’ te krijgen – iets wat met de flux-qubits al wél lukt. Pas als de elektronen op een controleerbare manier in superpositie zijn gebracht, kun je ze echt qubits noemen, en ze aan elkaar gaan koppelen, zegt Elzerman. “Eerlijk gezegd denk ik dat het binnen een jaar wel lukt om twee elektron-qubits aan elkaar te koppelen. Als we daar eenmaal zijn, zijn alle basisingrediënten voor de kwantumcomputer aanwezig.” Langzaam, qubit voor qubit, zal er dan in Delft een heuse kwantumcomputer verrijzen, hoopt Elzerman. Hoewel: naar mate er meer qubits aan elkaar hangen, wordt het systeem ook oncontroleerbaarder, alsof je een steeds grotere hoeveelheid jongleerballen in de lucht moet houden. “We moeten dan meer controle krijgen over onze materialen. De betrouwbaarheid van je spins, het controleren van je spins, dat wordt naar mate je meer qubits hebt allemaal heel, heel kritisch.” Maarten Keulemans Jeroen Elzerman, Ronald Hanson, Laurens Willems van Beveren, Benoit Witkamp, Lieven Vandersypen en Leo Kouwenhoven: Single-shot read-out of an individual electron spin in a quantum dot. In: Nature, Vol. 430, 431-435 (2004). M. Xiao, I. Martin, E. Yablonovitch en H. Jiang: Electrical detection of the spin resonace of a single electron in a silicon field-effect transistor. In: Nature, Vol. 430, 435-438 (2004).