Elektronen die tegelijkertijd naar rechts en naar links draaien. Deeltjes die samen van toestand veranderen, ook al zijn ze door enorme afstanden van elkaar gescheiden. Intrigerende verschijnselen als deze zijn volkomen gebruikelijk in de wereld van de kwantumfysica. Onderzoekers van de TUM Garching-campus gebruiken ze om kwantumcomputers, hooggevoelige sensoren en het internet van de toekomst te bouwen.

‘We koelen de chip af tot slechts een paar duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt – kouder dan in de ruimte’, zegt Rudolf Gross, hoogleraar technische natuurkunde en wetenschappelijk directeur van het Walther Meissner Instituut (WMI) op de onderzoekscampus van Garching. Hij staat voor een delicaat uitziend apparaat met goudkleurige schijven die met kabels zijn verbonden:het koelsysteem voor een speciale chip die gebruik maakt van de bizarre wetten van de kwantumfysica.

Al zo'n twintig jaar werken onderzoekers van WMI aan kwantumcomputers, een technologie die gebaseerd is op een wetenschappelijke revolutie die honderd jaar geleden plaatsvond toen de kwantumfysica een nieuwe manier introduceerde om naar de natuurkunde te kijken. Tegenwoordig dient het als de basis voor een ‘nieuw technologietijdperk’, zoals prof. Gross het noemt.

Om dit opkomende tijdperk vorm te geven, onderzoeken onderzoekers van Garching manieren om de regels van de kwantumfysica te gebruiken, evenals de daarmee samenhangende risico's en de potentiële voordelen van kwantumtechnologie voor de samenleving.

Individuele atomen manipuleren

‘We komen elke dag met de kwantumfysica in aanraking’, zegt Gross. Als we bijvoorbeeld een branderelement op de kookplaat rood zien gloeien. In 1900 vond Max Planck de formule voor de straling die lichamen met verschillende temperaturen uitzenden. Dit betekende dat hij moest aannemen dat het uitgezonden licht uit kleine energiepakketjes bestond, ook wel quanta genoemd. De kwantumfysica bleef zich ontwikkelen in de jaren die volgden, waardoor ons begrip van de microkosmos fundamenteel veranderde. Nieuwe technologieën maakten gebruik van de bijzondere eigenschappen van atomen en elektronen, bijvoorbeeld de laser, de magnetische resonantietomograaf en de computerchip.

De technologieën van deze eerste kwantumrevolutie beheersen grote hoeveelheden deeltjes. Intussen kunnen natuurkundigen ook individuele atomen en fotonen manipuleren en objecten produceren die voldoen aan de wetten van de kwantumfysica. "Vandaag kunnen we op maat gemaakte kwantumsystemen creëren", zegt Gross. De principes van de kwantumfysica, waarvoor nog nauwelijks technologische realisaties bestaan, kunnen worden gebruikt in deze zogenaamde tweede kwantumrevolutie.

Het eerste van deze principes is superpositie:een kwantumobject kan parallelle toestanden aannemen, die elkaar uitsluiten in het klassieke referentiekader. Een elektron kan bijvoorbeeld tegelijkertijd naar rechts en naar links roteren. De gesuperponeerde toestanden kunnen ook onderling op elkaar inwerken, vergelijkbaar met elkaar kruisende golven die elkaar versterken of elkaar opheffen. Dit is het tweede principe:kwantuminterferentie.

Onvoorstelbare verschijnselen begrijpen

Het derde fenomeen is verstrengeling. Twee deeltjes kunnen een gezamenlijke kwantumtoestand hebben, zelfs als ze zich kilometers van elkaar verwijderd bevinden. Als we bijvoorbeeld de polarisatie van een bepaald foton meten, wordt het meetresultaat voor de verstrengelde partner onmiddellijk vastgesteld alsof de ruimte tussen de twee fotonen niet bestond.

Hoe exotisch deze concepten ook mogen klinken, ze zijn net zo belangrijk voor de technische vooruitgang. Klassieke computers hebben een nadeel:ze verwerken informatie stapsgewijs, stap voor stap. "Zelfs supercomputers die voortdurend sneller groeien, zullen niet in staat zijn alle taken onder de knie te krijgen", zegt Gross, omdat de complexiteit van sommige taken drastisch kan toenemen.

Zo neemt het aantal mogelijke reisroutes tussen meerdere steden toe bij elke potentiële stop. Er zijn zes mogelijke routes tussen vier steden, terwijl dat voor vijftien steden ruim 40 miljard is. De taak om de kortste route te vinden wordt dus zeer snel overweldigend complex, zelfs onoplosbaar, met behulp van klassieke computers binnen een haalbare hoeveelheid tijd.

Het principe van superpositie maakt de taak veel eenvoudiger voor de kwantumcomputer:hij maakt gebruik van kwantumbits, oftewel qubits, die de bitwaarden 0 en 1 gelijktijdig kunnen verwerken in plaats van opeenvolgend. Een groot aantal qubits, met elkaar verbonden door kwantuminterferentie of verstrengeling, kunnen een onvoorstelbaar groot aantal combinaties parallel verwerken en kunnen zo zeer complexe taken zeer snel oplossen.

Qubits:kleine circuits

Terug naar WMI:Hier vinden we zilveren vacuümkamers waarin metaalatomen nauwkeurig worden afgezet op siliciumwafels van handformaat. De zeer zuivere metaallagen die zich op deze wafers vormen, vormen de basis voor kleine circuits. Wanneer onderkoeling de circuits supergeleidend maakt, oscilleert de elektriciteit die ze transporteren op verschillende frequenties die overeenkomen met verschillende energieniveaus. De twee laagste niveaus dienen als de qubitwaarden 0 en 1. De chip in een van deze koelsystemen bevat zes qubits, voldoende voor onderzoeksdoeleinden.

Om praktische problemen op te lossen hebben quantumcomputers echter enkele honderden qubits nodig. Bovendien moet elk van de qubits zoveel mogelijk rekenstappen kunnen uitvoeren om algoritmen te realiseren die relevant zijn voor praktische doeleinden. Maar qubits verliezen hun superpositie zeer snel, zelfs na de kleinste verstoring, zoals materiaaldefecten of elektrosmog – ‘een enorm probleem’, zegt Gross.

Om deze fouten te corrigeren moeten vervolgens complexe correctieprocedures worden gebruikt, maar deze processen zullen duizenden extra qubits vergen. Deskundigen verwachten dat dit nog vele jaren zal duren. Niettemin zouden initiële applicaties al functioneel kunnen zijn als het aantal qubit-fouten wordt verminderd of zelfs geëlimineerd.

“Een belangrijke bron van fouten is de ongewenste onderlinge interactie tussen qubits”, zegt dr. Kirill Fedorov van het WMI. Zijn oplossing:qubits over meerdere chips verdelen en met elkaar verstrengelen. In de kelder van het WMI wijst Fedorov naar een buis met de diameter van een boomtak die van de ene kwantumcomputer naar de andere leidt. In de buizen zitten microgolfgeleiders die de qubits met elkaar in wisselwerking brengen. Deze aanpak zou het in de toekomst mogelijk kunnen maken dat duizenden qubits samenwerken.

Overgevoelige quanta meten nauwkeuriger

Eva Weig, hoogleraar Nano- en Quantumsensortechnologie, heeft een andere kijk op dit gebrek aan perfectie. ‘Het feit dat kwantumtoestanden zo gevoelig op alles reageren, kan ook een voordeel zijn’, zegt ze. Zelfs de kleinste magnetische velden, drukvariaties of temperatuurschommelingen kunnen een kwantumtoestand meetbaar veranderen. "Dit kan sensoren gevoeliger en preciezer maken en ze in staat stellen tot een betere ruimtelijke resolutie", zegt Weig.

Ze wil relatief grote objecten gebruiken als mechanische kwantumsensoren. Zelfs nanostructuren die uit miljoenen atomen bestaan, kunnen in hun kwantumgrondtoestand worden gebracht, zoals onderzoekers van de Universiteit van Californië in 2010 voor het eerst hebben aangetoond. Eva Weig bouwt voort op de bevinding. "Ik wil gemakkelijk te controleren nanosystemen construeren om de kleinste krachten te meten."

In het laboratorium presenteert de natuurkundige een chip die haar team in de eigen cleanroom heeft gemaakt. Daarop staan ​​wat zij ‘nano-gitaren’ noemt, onzichtbaar voor het blote oog:kleine snaren, duizend keer dunner dan een mensenhaar, die trillen op radiofrequentie. Het team van Weig probeert deze nano-oscillatoren in een gedefinieerde kwantumtoestand te brengen. Vervolgens zouden de snaren kunnen worden gebruikt als kwantumsensoren, bijvoorbeeld bij het meten van de krachten die tussen individuele cellen bestaan.

De weg naar het kwantuminternet

Hoogleraar Quantum Networks Andreas Reiserer wil een ander aspect van quantumsystemen gebruiken om een ​​quantuminternet mogelijk te maken:de quantumtoestand van een deeltje wordt vernietigd als het wordt gemeten, waardoor de informatie die het bevat maar één keer kan worden uitgelezen. Elke poging tot onderschepping zou dus onvermijdelijk sporen achterlaten. Als dergelijke sporen niet aanwezig zijn, kan een communicatie worden vertrouwd. "Kwantumcryptografie is kosteneffectief en kan vandaag de dag al interceptiebestendige communicatie ondersteunen", zegt hij.

Maar de reikwijdte van deze technologie blijft nog steeds beperkt. Volgens Reiserer zijn glasvezelelementen ideaal voor het transporteren van kwantuminformatie met behulp van licht. Maar het glas absorbeert een deel van het licht bij elke kilometer die het aflegt. Na ongeveer 100 kilometer is communicatie niet meer mogelijk.

Het team van Reiserer doet daarom onderzoek naar zogenaamde quantum repeaters, opslageenheden voor quantuminformatie die ongeveer elke 100 kilometer langs het glasvezelnetwerk moeten worden geplaatst. Als het mogelijk is om elk van de kwantumrepeaters met zijn directe buur te verstrengelen, kan de verzonden informatie zonder enig verlies worden doorgegeven. "Op deze manier hopen we afstanden op wereldschaal te kunnen overbruggen", zegt Reiserer. "Dan zou het mogelijk kunnen zijn om apparaten overal ter wereld met elkaar te verbinden om een ​​'kwantumsupercomputer' te vormen."

Het team uit München wil kwantumrepeaters miniaturiseren, vereenvoudigen en geschikt maken voor massaproductie door ze op een computerchip te plaatsen. De chip bevat een optische vezel waarin erbiumatomen zijn ingebed. Deze atomen dienen als qubits die de informatie kunnen bufferen. Reiserer geeft echter toe dat hiervoor koeling nodig is tot slechts vier graden Kelvin (dat wil zeggen ongeveer -269°C) en voegt eraan toe dat er nog veel meer onderzoek nodig zal zijn voordat praktische haalbaarheid wordt bereikt.

Maatschappelijke risico's

De komst van kwantumtechnologieën in het dagelijks leven brengt ook enkele risico’s met zich mee. Een op fouten gecorrigeerde kwantumcomputer zou de huidige conventionele encryptieprocedures kunnen kraken en bijvoorbeeld de veiligheid van online bankieren in gevaar kunnen brengen. "Het goede nieuws is dat er al nieuwe encryptieprocedures zijn die veilig zijn tegen kwantumcomputeraanvallen", zegt Urs Gasser, hoogleraar openbaar beleid, bestuur en innovatieve technologie en hoofd van het "Quantum Social Lab" bij TUM. Gasser, een rechtsgeleerde, voegt eraan toe dat de transitie enkele jaren zal duren, waardoor het noodzakelijk is om nu aan de slag te gaan.

“De kosten van te laat komen zouden zelfs groter kunnen zijn dan de kosten van te laat komen op het gebied van kunstmatige intelligentie”, waarschuwt Gasser. Het Quantum Social Lab richt zich op de ethische, juridische en maatschappelijke impact van opkomende kwantumtechnologieën. Daarbij gaat het bijvoorbeeld om de vraag hoe we mensen kunnen integreren in het debat rond de nieuwe technologie, of of alleen rijke landen hun steden beter moeten kunnen plannen dankzij kwantumoptimalisatie.

“De tweede kwantumrevolutie is een paradigmaverschuiving die verreikende sociale, politieke en economische gevolgen zal hebben”, zegt prof. Gasser. "We moeten deze revolutie vormgeven in het beste belang van de samenleving."

Aangeboden door Technische Universiteit München