果冻传媒

Het is een heldere, zonnige maandagmiddag als ik aanklop bij de deur van het kantoor van hoogleraar Servaas Kokkelmans in het Qubit-gebouw van de 果冻传媒.

Kokkelmans is groepsleider van de groep Coherence and Quantum Technology, kortweg CQT-groep. Terwijl we enkele fijne kneepjes van het Qubit-gebouw zitten te bespreken, sluiten Rianne Lous en aan. Lous is ook professor in de CQT-groep, terwijl Van der Werf al anderhalf jaar bezig is met een postdoctorale rol.

Alle drie de onderzoekers werken aan quantumcomputers. En het is meteen duidelijk dat ze gepassioneerd zijn over het werken aan de ontwikkeling en realisatie van quantumcomputers.

Dus, wat is een quantumcomputer?

Vier verdiepingen onder Kokkelmans' kantoor op de 2e verdieping in het Qubit-gebouw staan ze in het echt: een verzameling prototypes van quantumcomputers met de potentie om berekeningen uit te voeren die hem als postdoc nog ondenkbaar leken.

Aangestoken door hun enthousiasme vraag ik de drie om een definitie te geven van een quantumcomputer met de belofte dat het beste antwoord in dit artikel komt te staan.

Lous hapt als eerste toe. 鈥淓en quantumcomputer is gemaakt van quantumbits, of kortweg qubits. Een qubit kan tegelijkertijd een waarde 0 en 1 opslaan. Dit geeft je een superpositie - het kan meerdere waarden tegelijkertijd bevatten. Wanneer de ene qubit met de andere 'praat', raken ze met elkaar verstrikt. Meer qubits staat gelijk aan meer rekenkracht. De combinatie van verstrengeling en superpositie is de basis van de quantumcomputer.鈥�

Kokkelmans鈥� antwoord volgt het antwoord van Lous gedeeltelijk. 鈥淓en quantumcomputer is een apparaat met een rekenkracht die exponentieel schaalt met het aantal qubits.鈥�

De combinatie van verstrengeling en superpositie is het fundament van de quantumcomputer.

Rianne Lous

Tot slot draagt Van der Werf haar antwoord bij. 鈥淣et als een klassieke computer bits heeft, heeft een quantumcomputer ook informatiedragers, de qubits. Maar in tegenstelling tot een klassieke computer waar de materialen 0 of 1 opslaan, kunnen qubits elk getal tussen 0 en 1 opslaan.鈥�

Drie ogenschijnlijk verschillende antwoorden dan, van drie quantumfysici. Echter, om een term uit de quantumfysica te lenen, de antwoorden van de drie zijn met elkaar verstrengeld. Hun antwoorden overlappen elkaar en benadrukken de kracht van quantumcomputers en hoe nieuw ze nog zijn.

Waarom quantum zo opwindend is

Maar waarom zouden mensen enthousiast moeten zijn om meer te leren over quantumcomputers?

Van der Werf antwoordt als eerste. 鈥淚k voelde me aangetrokken tot de wereld van het quantum omdat die zo fascinerend is. We pakken letterlijk individuele atomen 茅茅n voor 茅茅n vast in ons laboratorium, in de kelder van dit gebouw. Dat doen we in een vacu眉m en bij een temperatuur die een miljoen keer kouder is dan de temperatuur van de interstellaire ruimte (de ruimte tussen sterren in de ruimte, red.). Het fascineert me waar quantumcomputers in de samenleving kunnen worden gebruikt - van de ontdekking van nieuwe medicijnen tot betere online beveiliging. Het is een spannende tijd om aan quantum te werken.鈥�

Lous deelt het enthousiasme van Van der Werf. 鈥淒it is technologiewaarmee we op een nieuwe maniercomplexe problemen op kunnen lossen鈥�, zegt Lous. 鈥淲e gebruiken atomen als de bouwstenen van quantumtechnologie, zoals quantumcomputers, en veranderen deze atomen vervolgens met ongelooflijke nauwkeurigheid.鈥�

Hoewel het niet ongrijpbaar is, is het geen droom - het is realiteit!

Servaas Kokkelmans

Terwijl Van der Werf en Lous hun enthousiasme over quantumcomputers delen, knikt Kokkelmans waarderend. Toch was zijn start in de wereld van quantumcomputers heel anders.

鈥淭oen ik als postdoc-onderzoeker 鈥� net als Yuri nu 鈥� aan quantumcomputers werkte, was het een ongrijpbaar theoretisch concept鈥�, zegt Kokkelmans terwijl hij naar Van der Werf gebaart. 鈥淓n nu is het niet meer ongrijpbaar, is het geen droom - het is realiteit!鈥�

Een neutrale atoomstart

Het Qubit-gebouw is de thuisbasis van quantumcomputers en een quantumsimulator. Voor het interview concentreren we ons op de twee quantumcomputers met de op edelstenen ge茂nspireerde namen Ruby en Sapphire. Dus, wat zijn de bouwstenen van robijn en saffier? Waar zijn hun qubits van gemaakt?

鈥淎tomen鈥�, antwoordt Kokkelmans met een droog lachje. 鈥淥m specifieker te zijn, neutrale atomen.鈥�

Van der Werf vult aan met meer details. 鈥淚edereen die aan een computer denkt, denkt aan een chip. Maar dit is fundamenteel anders dan wat wij doen - wij werken maar met enkele atomen.鈥�

Neutrale atomen zijn atomen zonder lading in die zin dat ze hetzelfde aantal protonen (die een positieve lading hebben) en elektronen (die een negatieve lading hebben) hebben. Ruby gebruikt rubidium (Rb) atomen, terwijl Sapphire vertrouwt op strontium (Sr) atomen.

Iedereen die aan een computer denkt, denkt aan een chip. Dit is anders dan wat we doen - we werken met enkele atomen.

Yuri van der Werf

鈥淎ls je van een van deze twee materialen twee atomen kiest en ze vergelijkt, zul je ontdekken dat ze op alle mogelijke manieren identiek zijn. Dat ist perfect als je een quantumcomputer wilt bouwen die bestaat uit identieke qubits鈥�, merkt Kokkelmans op. 鈥淗et betekent dat we precies weten hoe elke qubit bijvoorbeeld op licht zal reageren en dat we niet elke qubit op een speciale manier hoeven te behandelen. Ze zijn allemaal hetzelfde - dus we kunnen ze allemaal precies hetzelfde behandelen.鈥�

Van der Werf werkt voornamelijk met Ruby, die uit zo'n 50 qubits bestaat, en ze wijst iets meer op wat ze identiek maakt.

鈥淚n de grondtoestand bevinden de elektronen zich in een baan rond de kern van een atoom zich in hun laagste energietoestand. Als de atomen allemaal in hun grondtoestand zijn, zien ze er allemaal precies hetzelfde uit. Rubidium heeft 茅茅n elektron aan de buitenkant, waardoor het zeer geschikt is om twee mogelijke eindtoestanden te defini毛ren 鈥� waar het zich in een lage-energietoestand (0) of een hoge-energietoestand (1) bevindt.鈥�

Koudste plek van Eindhoven

Hoewel neutrale atomen zoals strontium en rubidium geschikt zijn voor gebruik als qubits, is er een speciale omgeving nodig om de qubits te laten functioneren.

鈥淥m de atomen levensvatbare qubits te laten zijn, moet de omgeving worden gecontroleerd. Het moet extreem koud zijn鈥�, zegt Lous. 鈥淓n dit vereist een reeks technologie毛n die samenwerken om de atomen op een vaste locatie te houden. Maar de echte vijand hier is de warmte of thermische energie die atomen kunnen hebben.鈥�

Stotende atomen

Op dit moment zoemen moleculen en atomen zoemen om je heen en botsen tegen je aan. Ze hebben kinetische of bewegingsenergie, die gekoppeld is aan warmte. Hoe sneller iets beweegt, hoe heter het is.

In de neutrale atoomquantumcomputers bij Qubit moeten de strontium- en rubidiumatomen zo dicht mogelijk bij totale stilstand komen. Om dit te bereiken, moeten de atomen zo koud mogelijk worden gehouden.

Maar om de atomen te vertragen, is geen ultrakoude koelkast, een cryostaat of zelfs vloeibaar helium nodig (wat pas een vloeistof is op -269 掳C). De oplossing is vreemder dan dat.

鈥淲e houden het atoom op zijn plaats met een laser in een kunstmatig ultrahoog vacu眉m鈥�, zegt Van der Werf. 鈥淥m het vacu眉m te cre毛ren, pompen we de lucht uit een kamer. Als er geen moleculen in de kamer zijn, kan de warmte niet via convectie door het systeem worden verplaatst. Vervolgens vuren we een laserstraal met hoge intensiteit af met een sterke focus op het atoom, en het atoom zit dan in de focus van de laser. Dit staat bekend als een optisch pincet.鈥�

Energieverbruik

Lasers en ultrahoog vacu眉m om atomen op hun plaats te houden - dat klinkt alsof het veel energie zou kosten, maar dat is niet het geval. 鈥淗et totale elektriciteitsverbruik voor ons lab in 2024 was 6 kWh per dag, wat ongeveer hetzelfde is als een woning鈥�, merkt Lous op. 

We kunnen ons lab met recht om de koudste plek van Eindhoven te noemen, aangezien we temperaturen bereiken van ongeveer 4 microkelvin, wat superdicht bij het absolute nulpunt ligt.

Servaas Kokkelmans

Kokkelmans is erg trots op 茅茅n ongelooflijk onderdeel: de koelsystemen die ze gebruiken. Daarvoor hebben ze geen koelkasten, cryostaten of ultrakoude vloeistoffen nodig. 鈥淲e kunnen ons lab met recht de koudste plek van Eindhoven te noemen, aangezien we temperaturen bereiken van ongeveer 4 microkelvin, wat superdicht bij het absolute nulpunt (-273,15 掳C) ligt.鈥�

Het is niet alleen een getallenspel

Het lab dat Ruby en Sapphire hun thuis noemen, bevindt zich diep in de Qubit-kelder en is compact, het is donker als de lichten uitgaan en misschien wel de moeilijkste plek op de campus om een betrouwbaar mobiele telefoonsignaal te krijgen.

De computers staan zij aan zij, omringd door controlestations, metalen rekken en gespecialiseerde technologie毛n. Die helpen bij het reguleren en besturen van de lasers.

Als je alleen naar het aantal qubits kijkt, dan lijken 50 qubits Ruby en Sapphire achter te blijven bij verschillende anderen die werken aan quantumcomputers met neutrale atomen.

Het in de VS gevestigde Atom Computing beschikt over een systeem met , terwijl de Franse startup Pasqal (die voortkwam uit onderzoek van Nobelprijswinnaar Alain Aspect) . Voorop lopen dan onderzoekers van het van Caltech, die de aanwezigheid van 6.100 neutrale atomen hebben aangetoond.

Toch is in de wereld van de quantumcomputer met neutrale atomen het aantal qubits niet het belangrijkste aspect, schetst Kokkelmans. 鈥淒e media richten zich misschien op het getal, maar in de wereld van quantum computing is dat niet het belangrijkste鈥�, zegt Kokkelmans. 鈥淗et is belangrijker om qubits te hebben die met elkaar verstrengeld kunnen worden. En het moet gemakkelijk zijn om individuele qubits te manipuleren. Dit zal de qubits effectiever maken in termen van rekenprestaties.鈥�

"We gebruiken zelden het woord 'quantum'."

Quantumtechnologie毛n - zoals quantumcomputers - die voortkomen uit de quantumfysica kunnen voor sommigen fascinerend en eng lijken. 鈥淚k denk dat het erom gaat dat er een evenwicht is. Het is iets nieuws voor veel mensen, ook voor wetenschappers in andere vakgebieden鈥�, zegt Kokkelmans.

Als ik mijn kinderen vraag naar hun mening over mijn werk, zeggen ze: 'Oh papa, in je werk neem je gewoon een woord en zet je er quantum voor!'

Servaas Kokkelmans

Gek genoeg is het Kokkelmans die interessante reacties krijgt van zijn kinderen thuis. 鈥淎ls ik mijn kinderen vraag naar hun mening over mijn werk, zeggen ze: 'Oh papa, in je werk neem je gewoon een woord en zet je er quantum voor!'鈥�

Om tafel gaan met de drie quantumfysici om te praten over quantumcomputers en quantumfysica leidde tot een 'quantumgesprek' van meer dan een uur en twintig minuten. Het woord 'quantum' kwam meer dan tweehonderd keer voor (in ieder geval volgens het transcript van het interview). Zo'n veelvuldig gebruik van het woord 'quantum' is niet normaal voor quantumfysici.

鈥淎ls een groep quantumfysici in een vergadering zit, komt het zelden voor dat je iemand het woord 'quantum' hoort zeggen鈥�, zegt Lous. 鈥淲e gebruiken gewoon zelden het woord 'quantum'.鈥�

鈥淲e hebben de neiging om te praten over de eigenschappen van atomen, energieniveaus en andere aspecten die verband houden met het opwinden van atomen (waarbij bepaalde elektronen rond atomen energie krijgen en naar hogere energieniveaus gaan die verder weg zijn van het centrum van het atoom)鈥�, voegt Van der Werf toe. 鈥淗et woord 鈥楺uantum鈥� wordt voornamelijk gebruikt in activiteiten voor een breed publiek of als we praten met onderzoekers die niet in de quantumfysica werken.鈥�

Krimpen in de toekomst

Bij Qubit ziet de toekomst er stralend uit als het gaat om quantumcomputers.

De komende maanden wordt het nog stralender wanneer de nieuwe hybride quantumcomputer van Eindhoven online gaat als onderdeel van het .

We zouden onze computers kunnen verkleinen en echt kunnen profiteren van hun rekenkracht.

Rianne Lous

鈥淒e hybride quantumcomputer combineert een klassieke supercomputer en een quantumcomputer om complexe problemen op te lossen鈥�, zegt Kokkelmans. 鈥淓n het apparaat zal voor iedereen toegankelijk zijn om hun quantumprogramma's uit te voeren. We zijn erg enthousiast om deel uit te maken van het Quantum Inspire-platform.鈥�

Dat is de nabije toekomst, maar Lous hoopt in de toekomst een op fotonica ge茂nspireerde revolutie te zien in het quantumcomputerontwerp voor atomen. 鈥淗et is mijn droom om te zien waar quantum 茅n fotonica 茅n elektronica samenkomen. Nu gebruiken we 茅茅n laser om veel qubits in onze opstelling aan te spreken. Stel je een toekomstige chip voor quantumcomputers voor die een speciale laser bevat voor elke qubit. We zouden onze computers kunnen verkleinen en echt kunnen profiteren van hun rekenkracht.鈥�

Wie wil er een quantumbaan?

Tot slot reflecteert Van der Werf op de toekomst van quantumbanen waar veel mogelijkheden zijn.

En het gaat snel. We kennen nu alle drie mensen die in de quantumindustrie werken in rollen die vijf jaar geleden nog niet bestonden.

Yuri van der Werf

鈥淥m in de quantumindustrie te werken, hoef je geen quantumfysicus te zijn. We hebben mensen nodig om de elektronica te bouwen, de lasers te ontwerpen, de vacu眉mtechnologie毛n te ontwikkelen, meer programmeertalen uit te vinden. Al deze mensen hoeven niet per se quantumfysici te zijn. En het gaat snel. We kennen nu allemaal al mensen die in de quantumindustrie werken in banen die vijf jaar geleden nog niet bestonden.鈥�

Als ik na het interview het kantoor verlaat, heb ik er vertrouwen in dat onze Qubit-onderzoekers goed bezig zijn om een enorme impact te hebben op de wereld van quantumcomputers met neutrale atomen, en op quantum in het algemeen.

De koudste plek in Eindhoven zou wel eens de thuisbasis kunnen zijn van de heetste ontwikkelingen op het gebied van quantum voor de regio, met een mogelijke impact op nationaal en wereldwijd niveau.