Advertentie
Advertentie
interview

‘Stel je voor: energie overbrengen van de Sahara tot bij ons, met amper verlies!’

©Jiri Buller

Als kwantumcomputers straks de wereld veranderen, zal dat deels te danken zijn aan Lieven Vandersypen. De Belgische professor kreeg voor zijn pionierswerk de Spinozapremie, de grootste wetenschappelijke onderscheiding in Nederland.

In een labo op de eerste verdieping van een grijze blok op de campus van de Technische Universiteit Delft klinkt een luid, monotoon gedreun. De ruimte is donker en staat volgestouwd met delicate elektronica. ‘Nergens aankomen, graag’, gebiedt Lieven Vandersypen. ‘En let op met bankkaarten, want sommige opstellingen hebben een heel sterk magnetisch veld.’ Er staat een handvol grote witte kokers en uit het plafond daalt een goudkleurige metalen constructie neer die zich het best laat omschrijven als een futuristische kroonluchter.

‘De kokers zijn onze koelkasten’, legt Vandersypen uit. Vandaar het gedreun: de constante compressie en expansie van helium is nodig om de temperatuur binnenin te laten zakken tot enkele duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt: 0 kelvin of min 273 graden Celsius. In elke koelkast zit zo’n spitse kroonluchter en aan het uiteinde daarvan, in een omgeving waarin alle ruis tot een minimum is beperkt en atomen zo veel mogelijk met rust worden gelaten, gebeurt het. Daar wordt, op een minuscule chip, één enkele elektron ‘gevangen’ en gemanipuleerd. Een kwantumbit.

Kwantumbits zijn de bouwstenen van een kwantumcomputer, een machine die op een dag de wereld voorgoed kan veranderen. Kwantumcomputers zijn vele malen sneller en krachtiger dan zelfs de slimste supercomputers van vandaag en kunnen in theorie problemen aan die nu nog onoplosbaar worden geacht. Dat moet een turbo zetten op de zoektocht naar oplossingen voor de grootste problemen van onze tijd en een revolutie ontketenen in industrieën als energie, gezondheid of beveiliging.

Superpositie

Kwantumwat? De uitleg gaat terug tot de allerkleinste schaal in de natuur. De werking van een kwantumcomputer is gebaseerd op de wetten van de voor een in de letteren geschoolde journalist extreem moeilijk te begrijpen kwantummechanica. Dat is de tak van de natuurkunde die het gedrag van deeltjes op atomair en subatomair niveau bestudeert. Kwantum betekent in de fysica de kleinste, ondeelbare eenheid van iets. Die deeltjes gedragen zich anders dan wij in de voor ons waarneembare realiteit gewoon zijn. Zo is vastgesteld dat de allerkleinste deeltjes op twee verschillende plaatsen tegelijk kunnen zijn, een fenomeen dat superpositie wordt genoemd.

Die principes zijn, in de zoektocht naar een praktische toepassing, sinds enkele decennia vertaald naar de elektronica. De hoop is computers te bouwen die fundamenteel anders werken dan de huidige. De bits, de binaire schakelaars, van een gewone computer kunnen vandaag twee waarden hebben: 0 of 1. Kwantumbits - qubits in het jargon - kunnen een superpositie aannemen en twee toestanden tegelijk hebben. Ze kunnen 0 of 1 zijn, maar ook 0 en 1 tegelijk. Dat doet de capaciteiten exponentieel toenemen. In plaats van één berekening kan zo’n machine er heel veel tegelijk uitvoeren. De droom is dat de kwantumcomputer tot een waanzinnige innovatiespurt leidt.

In dit domein is de 48-jarige Vandersypen een wereldautoriteit. Voor zijn experimenten met kwantumbits in Delft ontving hij vrijdag de Spinozapremie, de hoogst haalbare wetenschappelijke onderscheiding in Nederland. Samen met drie andere academici is hij de laureaat van de prijs die door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) wordt uitgereikt voor ‘uitmuntend, baanbrekend en inspirerend werk’ met een specifieke focus op ‘fundamentele vraagstukken’. Volgens een twaalfkoppige commissie bepalen de experimenten van de ‘visionaire’ Vandersypen de richting van zijn onderzoeksveld. ‘Superblij mee’, reageert de Belgische professor als we gaan zitten aan een tafel in zijn sobere kantoor. Hij ontvangt 2,5 miljoen euro, te besteden aan wetenschappelijk onderzoek.

De kwantumcomputer is vandaag vooral een belofte. De vraag die iedereen zich stelt is...

Lieven Vandersypen: ‘Wanneer komt hij er? En het antwoord zal niet iets zijn als: op 3 februari tweeduizend en zoveel. Het is een geleidelijke ontwikkeling. Het hangt ervan af waar je de lat legt, wanneer je tevreden bent. De vooruitgang wordt uitgedrukt in het aantal qubits dat je kan samenbrengen, en de kwaliteit ervan. De state of the art is nu 50 à 60.’ (neemt een stift en stapt naar het whiteboard)

‘Je kan dat tekenen in een grafiek met tijd in de x-as en aantal qubits in de y-as. Hoe meer qubits, hoe dichter je bij de grens komt om een belangrijk probleem op te lossen. Maar die grens beweegt ook naar beneden: door technologische vooruitgang zal het aantal vereiste qubits om een probleem op te lossen kleiner worden dan we nu weten. We zitten in een fase met veel vooruitgang. Ik ben optimistischer dan tien jaar geleden. Tegelijk zien we nog altijd veel fundamentele obstakels maar ook stomme, praktische problemen. Het is telkens wachten op goede ideeën om die te overwinnen. Sommige persberichten claimen al successen, maar dat blijken dan vooral theorie en toy problems.’

Een grote doorbraak is mogelijk de berekening van het gedrag van moleculen en materialen.

In de laudatio bij de Spinozapremie schrijven de uitreikers: ‘De commissie is ervan overtuigd dat Lieven Vandersypen de komende jaren de volgende grote wetenschappelijke en technologische doorbraken kan realiseren die nodig zijn om de beloften van de kwantumcomputer waar te maken.’ Ze rekenen op u.

Vandersypen: (lacht) ‘Ja, het is wel echt de ambitie en het doel van ons onderzoek. We zijn uiteraard niet de enigen. Maar wij willen originele en relevante ideeën aandragen.’

Van welke praktische toepassingen droomt u vooral?

Vandersypen: ‘Een grote doorbraak is mogelijk de berekening van het gedrag van moleculen en materialen. Dat motiveert me heel sterk, want de implicaties kunnen enorm zijn. Vandaag is de ontwikkeling van materialen duur en tijdrovend vanwege de beperkte snelheid van computers in het uitrekenen van dat gedrag. Er wordt al decennia gedroomd van een materiaal dat geen elektrische weerstand heeft, zelfs bij kamertemperatuur. Daarmee zou je heel efficiënt energie kunnen opslaan of transporteren. Stel je voor: energie overbrengen van de Sahara tot bij ons, met amper verlies! Of efficiëntere elektrische motoren maken. Of krachtiger batterijen en zonnecellen ontwikkelen. Of betere en minder schadelijke meststoffen samenstellen. En de zoektocht naar geneesmiddelen zou veel sneller kunnen met kwantumcomputers dan met de huidige klinische tests.’

De kwantumcomputer zal een enorme impact hebben op hoe we de grote uitdagingen van onze tijd aanpakken. Dat is een fantastisch vooruitzicht.
Lieven Vandersypen
Hoogleraar in de kwantum-nanowetenschappen

De verwachtingen zijn hooggespannen.

Vandersypen: ‘Ja, maar de kwantumcomputer zal geen droom- of mirakeloplossing zijn voor alles. Hij zal wel een enorme bottleneck wegnemen en impact hebben op de manier waarop we de grote uitdagingen van onze tijd aanpakken. Dat is een fantastisch vooruitzicht.’

‘Het verleden leert ons dat de belangrijkste toepassingen van nieuwe technologie totaal niet voorzien waren. Dat is natuurlijk ook hier mogelijk. Bij de presentatie van de eerste iPhone dacht ik ook: ‘Waarom zou ik die nodig hebben?’ Nu kan ik niet meer zonder. Konden de mensen die de eerste lasers bestudeerden zich voorstellen dat die zouden worden gebruikt om stalen platen door te snijden, ogen te opereren of communicatie tussen hier en China via de ruimte tot stand te brengen?’

Vandersypen is in Delft ook wetenschappelijk directeur van QuTech. Aan dat instituut van de universiteit en de Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek (TNO) is ook de Amerikaanse chipgigant Intel verbonden. Het is een logische samenwerking. Vandersypens aanpak om qubits te bouwen lijkt sterk op de architectuur van een transistor op chips zoals Intel die maakt. Een van de grootste moeilijkheden in de ontwikkeling van qubits is dat ze heel onstabiel zijn en hun superposities snel kunnen verliezen, een proces dat decoherentie wordt genoemd. Dat vereist weer extra rekenkracht om constant aan foutencorrectie te doen. Vandaar ook de extreem koude omgeving waarin de tests worden uitgevoerd, om zo min mogelijk storing te veroorzaken.

‘Begin jaren negentig was de overtuiging nog: je kan dat nooit perfect krijgen. Gelukkig zijn er doorbraken geweest waarin theoretisch is aangetoond dat het mogelijk is de meest fundamentele fouten door decoherentie ongedaan te maken en dus toch zonder fouten te blijven rekenen. Daarvoor zijn wel heel hoge aantallen qubits nodig. Al wordt er ook rekening mee gehouden dat er nooit een bruikbare kwantumcomputer komt. Dat valt niet uit te sluiten.’

Wat is een kwantumcomputer?

Computers werken klassiek met bits, die data opslaan als een 0 of een 1. Een kwantumcomputer werkt volgens de wetten van de kwantummechanica met kwantumbits of qubits.

©Jiri Buller

Anders dan een bit bezit een qubit de tijdelijke eigenschap tegelijk een 0 én een 1 te zijn, superpositie in het jargon. Zo’n computer kan dus exponentieel meer data verwerken en veel krachtiger berekeningen doen. Twee qubits kunnen vier combinaties vertegenwoordigen, drie qubits acht, enzovoort. Als je 300 qubits combineert, krijg je een getal van 2 tot de macht 300, groter dan het geschatte aantal atomen in het gekende universum.

Met die capaciteiten zou een kwantumcomputer problemen aankunnen waarvoor zelfs de strafste huidige supercomputers in theorie miljoenen jaren moeten rekenen. Daarmee kan bijvoorbeeld het gedrag van moleculen veel sneller worden berekend, wat een innovatiespurt moet veroorzaken in de ontwikkeling van nieuwe materialen en medicijnen.

Vijf maal drie

De in Leuven geboren professor raakte gefascineerd door de grote vraagstukken in de natuurkunde in zijn tienerjaren, toen zijn vader hem de boeken van Gerard Bodifee gaf over wetenschap, filosofie en de impact op de samenleving. ‘Dat vond ik boeiend: hoe ons wereldbeeld bepaald kan worden door wetenschappelijke vooruitgang. Na de wetten van Newton zou je denken dat we weten hoe alles in de natuur zich gedraagt, maar door kwantum weten we dat er toch willekeur is. Die boeken hebben echt de interesse gewekt om de fundamenten van de natuur te willen begrijpen.’

Vandersypens carrière loopt parallel met de opkomst van het idee van de kwantumcomputer. Toen hij na zijn studies burgerlijk ingenieur - ‘mechanica, want daarmee kon je vlot op Erasmus’ - in Leuven eind jaren negentig naar de topuniversiteit van Stanford in Californië trok, hoorde hij voor het eerst over het toen heel prille idee om de wetten van de kwantumfysica te vertalen naar een nieuwe generatie computers. ‘Ik was zo opgewonden en gefascineerd door de mogelijkheden dat ik er ’s nachts niet van kon slapen.’

Zijn doctoraatsonderzoek aan Stanford was een wereldprimeur die The New York Times haalde. Nochtans klinkt het weinig baanbrekend: hij bewees dat 15 gelijk is aan vijf maal drie. Maar het belang zat hem in de manier waarop. Hij slaagde er samen met collega’s in een computer te doen rekenen op basis van het gedrag van zeven atomen in een molecule. Door de kwantumtoestand konden de verschillende stappen in de berekening simultaan worden uitgevoerd. Daarmee demonstreerde hij dat het praktisch mogelijk is een bekend maar tot dan toe puur theoretisch kwantumalgoritme uit te voeren. ‘Het was dus niet alleen sciencefiction.’

Shut up and calculate

De principes achter de kwantumfysica blijven verbazen, ook voor bollebozen die er elke dag mee bezig zijn. Dat een deeltje tegelijk op twee plaatsen kan zijn en dat een kwantumbit tegelijk twee toestanden kan aannemen, is een constante breinbreker. ‘Eigenlijk is dat een beeldspraak om het toch maar iets bevattelijker te maken. Sommige mensen die dit lezen, zullen er misschien boos van worden. Er zijn natuurkundigen die vinden dat je het zo niet mag uitdrukken.’

De Amerikaanse fysicus Richard Feynman, een van de grondleggers van de kwantumtheorie, zei: ‘Shut up and calculate.’ Sta er niet bij stil hoe het kan, maar weet dat het kan. De oneliner wordt in het labo van Vandersypen nog vaak uitgesproken. ‘Het leuke aan kwantummechanica is eigenlijk dat niemand het echt begrijpt’, zegt Anne-Marije Zwerver, een van zijn doctoraatsstudenten tijdens de rondleiding. Zelfs Albert Einstein en Niels Bohr voerden al epische discussies over hoe ze superpositie moesten interpreteren. ‘En kijk, we zijn honderd jaar later en we weten het nog altijd niet.’

Vandersypen: ‘Het blijft raadselachtig. Als ik je vraag: wat gebeurt er als ik deze fles loslaat? Dan zeg je uiteraard: die gaat vallen? En waarom? De wetten van Newton. Maar dat is maar een beschrijving. Waarom is het echt? We vinden het normaal en stellen er ons geen vragen bij. Zo moeten we ook nadenken over kwantummechanica. We vinden het mysterieus omdat we het niet kunnen zien gebeuren. Toch zien we in het lab elke dag dat het werkt.’

‘Mijn vader is doctor in de scheikunde, en hij haakt altijd af als het gaat over een elektron dat op twee plaatsen tegelijk kan zijn. Dan zegt hij: ‘Nu snap ik het niet meer’. Maar volgens mij bedoelt hij: nu geloof ik het niet meer.’

‘Dat spreekt tot de verbeelding en is interessant op zichzelf. Maar het feit dat je die diepste fundamenten van de natuur ook kan gebruiken voor een toepassing die de wereld vooruit kan helpen, is een heel aantrekkelijke combinatie. Daarom ben ik er al bijna 25 jaar mee bezig. Als nu zou worden aangetoond dat het nooit gaat lukken, ga ik iets anders doen. Als ik niet zo gefascineerd was, zou ik er niet zo lang aan kunnen werken.’

Duidelijk is wel dat er intussen een wereldwijde race aan de gang is om de progressie richting praktisch bruikbare kwantumcomputers te pushen. ‘Sinds een tiental jaar zijn de grote technologiebedrijven erop gesprongen, vooral in de VS. Nu staat een bedrijf als Google het verst, maar met een andere aanpak dan de onze. China komt ook opzetten, daar wordt enorm geïnvesteerd. In onze aanpak met halfgeleiders denk ik dat wij aan kop staan. Maar de collega’s van Intel halen ook steeds meer expertise in huis en bouwen momentum op. In Europa probeert de overheid bij te benen, zowel de EU als de lidstaten. De Nederlandse overheid steekt 615 miljoen euro in kwantumonderzoek over zeven jaar.’

De globale kwantumrace is een spijtige ontwikkeling, maar hij levert wel financiering op.

Niet verwonderlijk, want wie zo’n krachtige machine kan ontwikkelen, verzekert zich van veel macht.

Vandersypen: ‘Ja, dat is een realiteit. Als wetenschapper vind ik die globale race een spijtige ontwikkeling. Er is steeds minder openheid over de vooruitgang, er wordt minder gedeeld. Ik communiceer graag zo open mogelijk, ook met concurrenten, dat heb ik altijd gedaan. En zij ook. Maar de tendens is dat er druk komt om minder open te zijn. Dat elke grootmacht die technologie in huis wil hebben, levert dan wel weer financiering op.’

Bij nieuwe technologie is er altijd de keerzijde dat ze ook met slechte bedoelingen kan worden ingezet. Kwantumcomputers kunnen de vandaag onontcijferbare online beveiliging van betaalgegevens kraken. Houdt dat u bezig?

Vandersypen: ‘Zeker. Ik zat in de kerngroep van het Vision Team van TU Delft, waar we nadenken over toekomstige implicaties van nieuwe technologie voor de maatschappij. Als wetenschapper of technoloog kan je niet zeggen: ‘Ik ontwikkel het, en wat ermee gebeurt, daar moeten anderen zich maar over buigen.’ We hebben een verantwoordelijkheid, ook om uit te leggen wat de verwachtingen zijn. Hier aan de universiteit denken we goed na over manieren om bij de ontwikkeling en het ontwerp van nieuwe technologie al mechanismes in te bouwen waardoor die op een betere manier zal landen in de maatschappij. Niet altijd mogelijk, maar als je er niet mee bezig bent, lijkt de kans dat het goed gaat me kleiner.

U koos voor de wetenschap en niet voor een groot kapitaalkrachtig technologiebedrijf. Waarom?

25 jaar geleden dacht ik niet dat het allemaal zo lang zou duren. Maar als je niet optimistisch bent, moet je er niet aan beginnen.
Lieven Vandersypen
Hoogleraar in de kwantum-nanowetenschappen

Vandersypen: ‘Dat is een kwestie van persoonlijke smaak. Ik geef ook graag les, bijvoorbeeld. De start-upwereld interesseert me wel. Ik hoop ook dat uit mijn eigen onderzoek nog een goede start-up kan groeien, waarin ik dan een adviseursrol kan spelen. We willen echt dat ons onderzoek naar buiten komt en niet in de ivoren toren blijft. Daarom hebben we ook een webtoepassing gebouwd waarmee iedereen online kwantumbits kan programmeren.’

Kunt u nog altijd wakker liggen van pure verwondering?

Vandersypen: ‘Soms, na een fantastische doorbraak. Maar ook als iets niet werkt, uit frustratie. Het lastige is dat de bijdrage waarop we hopen zo ver weg is in de tijd. Ik ben er al 25 jaar mee bezig en er is nog niets nuttigs uitgekomen. (lacht) Je moet dus wel geduldig zijn. Mijn vrouw helpt als huisarts elke dag mensen, dat is toch een ander gevoel. 25 jaar geleden dacht ik niet dat het allemaal zo lang zou duren. Maar als je niet optimistisch bent, moet je er niet aan beginnen. Intussen zou ik beter moeten weten, en toch onderschat ik elke keer hoelang het volgende experiment gaat duren.’

Lees verder

Advertentie
Advertentie
Advertentie

Gesponsorde inhoud

Gesponsorde inhoud