“Stel je hebt een muur met een gat erin en een bal die groter is dan het gat. Iedere keer als je de bal tegen het gat gooit, dan stuitert deze terug. Pak je een kleinere bal dan zie je opeens ander gedrag, de bal kan ook door het gat vliegen”, zo probeert Jacco de Vries het verschil in gedrag van grote en kleine deeltjes inzichtelijker te maken. Jacco is natuurkundige en onderzoeker van elementaire deeltjes bij de onderzoeksgroep Gravitational Waves and Fundamental Physics. Wat is er dan anders aan het gedrag van kleine deeltjes? Allerlei eigenschappen van de kleinste deeltjes kun je niet langer met zekerheid definiëren. Zo kun je ze niet op één plek vastpinnen, je kunt hooguit zeggen waar ze zich waarschijnlijk bevinden. 

Superpositie

Ook andere eigenschappen van deeltjes in de kwantumwereld zijn onzeker; zo kan een deeltje links of rechtsom om zijn as draaien. Maar, zolang je niet kijkt hoe het draait, beweegt het, volgens de regels van de kwantummechanica, links en rechtsom tegelijk. Superpositie noemen natuurkundigen dit fenomeen. Zulke eigenschappen klinken vreemd in de oren, maar ze zijn echt. Onderzoekers kunnen superposities maken en de effecten ervan bestuderen. Dit laatste is belangrijk voor het functioneren van een kwantumcomputer.

Het voorbeeld van Jacco laat zien dat een kwantumcomputer veel sneller kan werken. Maar, volgens Menica biedt Quantum Computing meer belangrijke voordelen: “Je kunt je data bewerken op manieren die met een klassieke computer niet mogelijk zijn.” De toekomstige Einstein Telescope voor het meten van zwaartekrachtgolven is daar een voorbeeld van. “De telescoop kan 100 duizend elkaar overlappende signalen tegelijk waarnemen. Met een klassieke computer kun je deze signalen niet uit elkaar halen. We werken aan een algoritme voor een kwantumcomputer waarmee dit wel zou moeten kunnen.”

Hardware

Algoritmen en software voor kwantumcomputers bestaan al, maar hoe zit het met de hardware? “Er zijn meerdere experimentele kwantumcomputers operationeel”, zegt Jacco. “Toch zijn er nog vele uitdagingen op te lossen voordat ze hun beloftes waar kunnen maken. Op technisch gebied zijn er twee belangrijke uitdagingen. Als eerste blijken kwantumcomputers erg gevoelig voor fouten. Die fouten stapelen zich op waardoor je maar weinig berekeningen kunt doen voordat het resultaat onbetrouwbaar wordt. Als tweede werken de huidige kwantumcomputers met maar een paar qubits terwijl je er liefst honderden of duizenden wil gebruiken.”

Dan resteren nog drie uitdagingen op het vlak van Quantum Computing: over de manier waarop je data aan een kwantumcomputer aanbiedt, hoe je algoritmen maakt en als laatste hoe je de resultaten verzamelt. Jacco geeft een voorbeeld over het verzamelen van data: “Denk aan het voorbeeld van het worteltrekken van 100.000 getallen tegelijkertijd. Met de huidige technieken krijg je maar één willekeurig antwoord te zien en mis je de andere 99.999 resultaten. Daar zullen we nog een oplossing voor moeten bedenken.”

Menica is optimistisch over de toekomst van de kwantumcomputer: “Je ziet dat bedrijven, ondanks de onzekerheden, doorgaan met het ontwikkelen ervan en er zelfs geld aan verdienen. De laatste jaren zijn kwantumcomputers een hype, het onderzoek bestaat echter al decennia. Er is geen garantie dat er over tien jaar een foutloos werkende kwantumcomputer is, maar het onderzoek naar kwantumcomputers levert ons veel meer op dan alleen die computer. Het dwingt ons om op een heel andere manier naar alledaagse problemen te kijken die we met een toekomstige kwantumcomputer willen aanpakken.”

Het volgende deel in deze serie gaat over Quantum Computing.