Microscoopfoto van de Eindhovense schakeling voor een quantumbit. Onder de kruisende draden kunnen majoranadeeljes worden gevangen en daarna met stroomstootjes rondgeleid over het vierkant. Beeld Tue/TuDelft

Zulke computers gebruiken de extreem subtiele wetten van de deeltjeswereld om veel sneller dan gewone computers berekeningen uit te voeren. In alledaagse computers is informatie vastgelegd in enen en nullen, zogeheten bits, waarmee berekeningen stap voor stap worden gedaan. In een quantumcomputer zijn de bits deeltjes met een dubbelzinnige toestand, waardoor ze in talloze berekeningen tegelijk kunnen worden gebruikt. Dat maakt rekenwerk mogelijk aan extreem ingewikkelde problemen, van klimaat- en stromingsmodellen tot de talloze manieren waarop farmaceutische eiwitten kunnen vouwen; berekeningen waar zelfs met de huidige supercomputers geen beginnen aan is.

Bedrijven als Microsoft investeren miljarden in de research naar quantumcomputers. Zo gaat er onder meer veel geld naar de QuTech groep in Delft. De Delftse hoogleraar Leo Kouwenhoven trad onlangs zelfs helemaal in dienst bij het bedrijf.



Microsoft is geïnteresseerd vanwege een vinding uit 2012 van de groep van Kouwenhoven, die toen zeer veelbelovend leek voor quantumrekenen. Ze creëerden aan de uiteinden van een speciaal deels supergeleidend nanodraadje zogeheten majoranadeeltjes. Zulke deeltjes werden al sinds 1937 voorspeld, maar waren nog nooit gevonden.

Leo Kouwenhoven ontvangt zijn prijs voor Nationaal Icoon 2014. Beeld anp

Majorana-bits

Majorana's hebben zeer exotische eigenschappen, die maken dat een paar ervan nauwelijks uit elkaar te halen zal zijn. Dat maakt ze heel geschikt als stabiele bits voor een quantumcomputer. Andere kandidaten voor quantumbits zijn doorgaans extreem gevoelig voor minieme verstoringen.



De robuustheid van de majorana-bits berust op een vreemde wiskundige eigenschap, die maakt dat ze hechter verbonden raken als ze een paar keer om elkaar zijn heenbewogen. Dat effect wordt wel topologisch vlechten genoemd, omdat het lijkt alsof de deeltjes aan touwtjes zitten die meer en meer verstrengeld raken. De uitdaging, zegt hoogleraar Erik Bakkers van de TU Eindhoven, was om die draaibewegingen werkelijk uit te voeren. 'Twee kralen op eenzelfde snoer kun je niet zomaar van plaats verwisselen. Dan moet je iets slims doen.'

Bewijs

Bakkers en teams in Delft en bij Microsoft hebben nu een manier gevonden om die wisseltruc wel tot stand te brengen. Daartoe laten ze vier majoranaproducerende nanodraadjes zo groeien dat ze een hashtag-achtig patroon met vier kruisingen vormen. Onder de kruisingen kunnen majoranadeeltjes worden opgesloten. Met kleine stroomstootjes worden die vervolgens in het vierkantje rondgedirigeerd, tot ze het rondje hebben voltooid dat het paar stabiliseert.



Volgens Bakkers zal het nog een halfjaar duren voor de teams waterdicht hebben aangetoond dat op deze manier stabiele quantumbits te maken zijn. In feite, zegt hij, moet eerst zelfs nog worden bewezen dat de gecreëerde deeltjes daadwerkelijk de tachtig jaar geleden voorspelde majorana's zijn. 'Daarvoor is het gedrag onder verwisseling essentieel', zegt hij. Tot nog toe hield ontdekker Kouwenhoven ook altijd een slag om de arm. 'Als het loopt en kwaakt als een eend, moet het haast wel een eend zijn, maar je moet het bewijzen', zei hij.

Ettore Marjorana.

De Leidse hoogleraar theoretische natuurkunde Carlo Beenakker is desgevraagd enthousiast over de nieuwe Delfts-Leidse experimenten en Nature-publicatie. 'Als deze aanpak inderdaad stabiel blijkt, is het een belangrijke ontwikkeling voor het topologische quantumrekenen.' Maar valt het tegen, dan vreest hij ook dat de speciale aanpak van Microsoft hiermee dood zou kunnen lopen. 'Het wordt een spannende tijd.'