“Nieuwe mogelijkheden zijn duizelingwekkend”
Het was een van de blikvangers op de jongste editie van de Amerikaanse technologiebeurs CES in Las Vegas: de IBM Q System One. Een glazen kubus van drie bij drie meter en een van de eerste werkende kwantumcomputers. Niet alleen IBM maar zowat alle grote technologiereuzen zijn verwikkeld in een race om kwantumtechnologie en -computers te verbeteren. Wetenschappers noemen kwantumtechnologie niet voor niets “dé technologie van de toekomst”.
Qubits in plaats van bits
Even terug naar de schoolbanken. Traditionele computers werken met bits, die data opslaan als een 0 of 1. De sterkte van kwantumtechnologie is dat die werkt met qubits of kwantumbits, ter grootte van een atoom, die zich in twee inputs – 0 én 1 – tegelijk kunnen bevinden. Terwijl een gewone computer slechts één berekening per keer uitvoert, kan een kwantumcomputer daardoor gigantisch veel berekeningen tegelijk uitvoeren en exponentieel meer data verwerken. Of met een voorbeeld: stel dat je je computer de opdracht geeft om achter honderd verschillende luikjes te zoeken naar de plek waar een balletje schuilgaat. Een gewone computer zal de luikjes een na een openen tot het balletje tevoorschijn komt. Een kwantumcomputer kan door zijn enorme rekenvermogen achter alle luikjes tegelijk kijken.
Door die gigantische rekenkracht zijn ook de mogelijkheden die worden toegeschreven aan kwantumtechnologie duizelingwekkend. De farma-industrie zou in de zoektocht naar nieuwe medicijnen niet langer poeders moeten mengen - een duur en tijdrovend proces - maar dat klinische onderzoek met computermodellen kunnen simuleren. Een kwantumcomputer zou bovendien in een vingerknip je DNAprofiel kunnen lezen, wat de deur opent naar gepersonaliseerde medicijnen en geneeskunde. Ook databases doorzoeken, klimaatsveranderingen voorspellen of verkeersstromen analyseren zijn een koud kunstje voor een kwantumcomputer.
Grote diepvriezer
Zover zijn we nog niet. “Toch zijn de prototypes die grote technologiebedrijven maken, nu al krachtiger dan elke bestaande computer”, zegt Milos Nesladek, professor fysica aan de UHasselt. Hij coördineerde het onderzoek van IMO-IMOMEC, het geïntegreerde onderzoeksinstituut van de Universiteit Hasselt en Imec, dat vrijdag gepubliceerd werd in het wetenschappelijke tijdschrift Science Magazine. Maar het nadeel van die prototypes is dat ze enorm omvangrijk zijn. “De meest gebruikte qubits zijn gemaakt van supergeleidende elektronische circuits, maar die werken alleen bij cryogene temperaturen van -273,15 °Celsius. IBM heeft een kwantumcomputer van 100 qubits sterk, maar om die te laten werken, moeten ze er dus een grote diepvriezer rond bouwen.”
Nesladek en zijn team hebben het over een andere boeg gegooid. “Wij zijn vertrokken van een artificiële diamant. Die is vrijwel identiek aan de natuurlijke diamant, alleen is de zuiverheid nog groter. Diamant bestaat uit koolstofatomen. Om onze qubit te maken hebben wij één van die atomen vervangen door stikstof en een ander atoom weggelaten, zodat er een lege ruimte ontstond. Zo kan de diamant fungeren als kwantumbit. Het grote voordeel van onze qubits uit artificiële diamant is dat die wel werken op kamertemperatuur. Bovendien zijn ze elektrisch leesbaar. Ook dat is een voordeel want om qubits optisch uit te lezen heb je een opstelling nodig die veel ruimte vergt.”
Ruimtevaart
Nesladek spreekt van een “grote doorbraak” en een “nieuwe stap in de kwantumtechnologie”. Maar tegelijk is er nog veel werk aan de winkel. “We staan nog maar aan het begin. Het probleem is dat je, om tot die enorme rekenkracht te komen, kwantumbits moet kunnen verbinden en laten communiceren en dat kunnen onze qubits uit diamant nog niet. Dat is een van onze volgende projecten.”
Toch zijn er nu al interessante toepassingen mogelijk, voornamelijk op het vlak van kwantumsensoren. “Er is al interesse uit bepaalde sectoren, zoals de ruimtevaart of de automobielsector. Ook met één niet-geconnecteerde qubit uit diamant kun je ultragevoelige magnetometers ontwikkelen die in de ruimtevaart gebruikt kunnen worden om magnetische velden te meten. De automobielsector kan onze technologie inschakelen voor batterijen die langer meegaan. En ook de NMR-toestellen die de farmaceutische industrie gebruikt om de chemische samenstelling van producten te meten, kunnen kleiner en goedkoper gemaakt worden dankzij onze qubits.”
Race
Hoewel Nesladek en zijn team werken met artificiële diamanten, zal de kostprijs van hun qubits geen struikelsteen vormen, maakt de professor zich sterk. Kan de diamanten kwantumbit op termijn ook een doorbraak betekenen voor de kwantumcomputer? “Voor kwantumcomputers wordt al jaren gewerkt met andere materialen”, zegt Nesladek. “Die piste gaan ze niet zo makkelijk verlaten.” Toch zijn de voordelen van de diamanten qubit onmiskenbaar. “De volgende stap is dat wij twee qubits gaan proberen te linken. Daarna kunnen we gaan opschalen. Als we daarin slagen, ben ik zeker dat de grote spelers interesse zullen tonen. Je moet het zien als een race. Er worden heel wat soorten qubits ontwikkeld, maar uiteindelijk zal maar eentje de standaard worden. Op dit moment zijn er een vijf- à zestal die praktisch bruikbaar zijn en de onze is degene die het best werkt op kamertemperatuur.”
Tot slot: zullen we over afzienbare tijd ook onze laptop met kwantumtechnologie uitrusten? Professor Nesladek denkt van niet. “Toch niet meteen. Omdat je die kracht voor persoonlijk gebruik gewoon niet nodig hebt. Het zou zijn alsof je in plaats van elke dag naar het werk te fietsen, plots overschakelt op de vrachtwagen.”