‘Hoe een koe mest maakt is nu nog te complex om te berekenen’

Sjoerd Loenen doet in Delft onderzoek naar quantumcomputers. „Door de enorme rekenkracht zijn ze ook heel foutgevoelig.”


Foto’s Walter Herfst

Altijd als quantumnatuurkundige Sjoerd Loenen (1994) naar zijn werk gaat, heeft hij een warme trui aan. „Hier in het lab is het koud. De temperatuur moet constant zijn voor onze gevoelige laser- en magnetenapparatuur. Als de temperatuur schommelt, krimpt het materiaal of zet het uit en krijg je ruis.” Het lab staat vol kasten met daarin veel kleine spiegels en zwarte dozen. Er klinkt luid gezoem. Over het plafond loopt een warboel van kabels. Aan de andere kant van het lab kijken twee jonge mannen geconcentreerd naar een beeldscherm.

Loenen doet sinds 2019 promotieonderzoek bij het Delftse quantuminstituut QuTech met een klein team op qubits. Dat zijn quantumvarianten van de klassieke bit waar een quantumcomputer mee rekent. Een bit kan één getal representeren, maar een quantumbit kan 0 én 1 tegelijk zijn. „De rekenkracht van een quantumcomputer neemt exponentieel toe met de hoeveelheid qubits.”

De grote rekenkracht van een quantumcomputer is niet nodig om programma’s zoals Word of Photoshop optimaal te draaien, maar er zijn bepaalde, complexe vraagstukken die niet met een klassieke computer zijn op te lossen. „Neem de productie van kunstmest”, zegt Loenen. „Zo’n 3 procent van alle CO2-uitstoot komt van kunstmestproductie, dat onder hoge temperaturen gebeurt in fabrieken. Koeien kunnen mest maken zonder hoge temperaturen met moleculaire reacties. Als we dat proces kunnen nabootsen, hebben we geen hitte meer nodig. Maar niemand weet precies hoe dat werkt in de koe en het is te complex om te simuleren met een klassieke computer. Het zou heel gaaf zijn als quantumcomputers kunnen bijdragen aan klimaatoplossingen.”

Magnetron van goud

Loenen groeide op in Groeningen, een dorp met zo’n vijfhonderd inwoners op de grens van Brabant en Limburg. „Als kind was ik heel geïnteresseerd in de natuur en hoe alles werkte.” Hij studeerde natuurkunde in Eindhoven en daar volgde hij vakken over quantummechanica, de natuurkunde van de allerkleinste deeltjes. „Dat was ontzettend interessant, omdat quantummechanica niet intuïtief te begrijpen is. Een deeltje kan volgens de wetten van quantummechanica twee waarden tegelijk aannemen. Er is niemand die precies begrijpt hoe dat kan.” Hij schreef zijn masterscriptie bij QuTech.

In het lab van QuTech maken Loenen en zijn collega’s quantumbits van elektronen. Dat zijn elektrisch geladen minuscule deeltjes, ongeveer tien miljoenste van een millimeter groot. Binnen in het experiment is het nog kouder dan in het lab zelf, zo’n -269 graden. Er moet zo min mogelijk warmte bij komen, want die energie beïnvloedt elektronen.

Foto’s Walter Herfst

„Om met elektronen te werken, isoleren we ze eerst. Elektronen zijn overal ons om heen, maar ze zijn te klein en te snel om ze de manipuleren. Wij vangen ze hier met diamant en siliciumcarbide. Dat zijn kristallen en die bestaan uit een rooster van netjes gerangschikte atomen.” Loenen pakt een kleine platte doos met daarin een grijze chip met siliciumcarbide zo klein als een vingernagel. „Ingenieurs in Duitsland schieten met een minigeweer minuscule gaatjes in die roosters op de door ons aangewezen plekken. Elektronen raken in die gaatjes gevangen, zoals een golfbal die in een hole blijft hangen.

„Vervolgens willen we met de qubits in het kristalkooitje communiceren, zodat we ze kunnen vertellen welke waarde ze moeten aannemen: 0, 1 of allebei. Maar dat is een trade-off. Elektronen worden beïnvloed door hun omgeving. We moeten ze goed afsluiten van hun omgeving, maar wel een communicatiekanaal openhouden voor onszelf. We communiceren hier via mini-magnetrons. In elektronen zitten magneetjes die de draairichting van het elektron beïnvloeden. Die magneetjes, en dus de draairichting, kunnen we manipuleren met elektromagnetische straling. Dat is het soort straling dat ook een magnetron opwekt. Onze magnetrons zijn stroken goud van dertig nanometer dik, tien micrometer breed en zo lang als de kristalchip. Met magneten wekken we elektromagnetische straling op rondom het goud. Wanneer die straling langs de elektronen gaat, verandert het elektron van draairichting. Zo kunnen we doorgeven dat de qubit van waarde moet veranderen. Met lasers lezen we de qubits uit.”

Kracht is een valkuil

Kunnen die qubits al bijna de kunstmestproductie in de koe gaan ontrafelen? „Nérgens op de wereld staat een quantumcomputer die al zo ver is. De quantumcomputer van Google heeft 56 qubits en die van IBM 127. „Om een quantumcomputer te bouwen die nuttige berekeningen doet, heb je minimaal een miljoen qubits nodig. Je zou makkelijk in een kristalrooster een miljoen gaatjes kunnen schieten. Maar hoe ga je individueel met al die elektronen communiceren? Dat is giga lastig.”

En de kracht van de quantumcomputer is ook gelijk een valkuil, zegt Loenen. „Quantumcomputers worden gehyped in de media. Maar door de enorme rekenkracht zijn ze ook heel foutgevoelig. Ik zie het niet gebeuren dat er binnen vijf jaar ergens op de wereld een quantumcomputer met een miljoen quantumbits staat die niet foutgevoelig is. Het leuke aan quantumonderzoek is nu juist dat we proberen te begrijpen hoe de fundamentele natuurkunde achter qubits precies werkt en het bedenken hoe we qubitsystemen kunnen opschalen.”