In de jaren twintig van deze eeuw formuleert de Deen Niels Bohr de belangrijkste principes van de quantumtheorie, de theorie over het gedrag van electronen, fotonen en deeltjes in atoomkernen. Die deeltjes spelen volgens Bohr een soort kiekeboe met menselijke waarnemers omdat ze zich soms als deeltjes en soms als elektromagnetische golven gedragen. De onderlinge interactie tussen deze quantum-deeltjes wordt beheerst door kansberekening.
Tijdgenoot Einstein kan er niet over uit dat de fundamentele processen van de kosmos worden beheerst door de wet van de dobbelsteen en breekt met de quantumtheorie.
Toch heeft alle fundamentele onderzoek tot dusver aangetoond dat Bohr gelijk heeft. En op het einde van de twintigste eeuw beginnen onderzoekers manieren te vinden om de wetten van de quantumfysica te gebruiken voor het ontwerpen van een nieuw soort computer, de quantumcomputer.
Waar of niet waar? De grootste supercomputer ter wereld zal er 800.000 jaar over doen om een een getal van 250 cijfers te ontleden in al zijn priemgetallen. Waar of niet waar? Diezelfde computer zal er ongeveer een maand over doen om één specifiek woord te ontdekken in een databank met acht triljard bytes aan informatie (de hoeveelheid bytes waaruit het World Wide Web bestaat). Waar of niet waar? Een quantumdeeltje – bijvoorbeeld een electron – kan zich op twee plaatsen tegelijkertijd bevinden. Waar of niet waar? In een slappe bak koffie zit in potentie meer computingpower dan in 88 parallel geschakelde top-of-the-line microprocessors van Intel. En tenslotte. Waar of niet waar? Quantumcomputing bestaat niet, het is een vage notie van spreekkamergeleerden en schrijvers van science fiction boeken.
Dom
De juiste antwoorden? Allemaal waar, behalve de laatste. Een supercomputer heeft enorm veel werk om grote getallen te ontleden in priemgetallen. Dat is maar goed ook want de meeste encryptiesystemen zijn erop gebaseerd dat niemand de moeite zal nemen een computer 800.000 jaar aan het werk te zetten om de sleutel te kraken. Een supercomputer is ook geweldig dom. Om te bepalen of een woord het woord is dat hij zoekt moet hij alle acht triljard bits van het World Wide Web vrijwel één voor één bekijken. En een quantumdeeltje kan zich – dat wist Einstein al – inderdaad op twee plaatsen tegelijk bevinden. Quantumtheoretici zeggen trouwens liever dat het deeltje zich op één moment in twee verschillende fasen kan bevinden. Dat van de koffie is ook waar. Volgens de onderzoekers Neil Gershenfeld en Isaac Chuang zou het cafeïnemolecuul een goed model zijn voor een supersnelle quantumcomputer. En bestaat zo’n quantumcomputer al? Ja! Diezelfde Gershenfeld en Chuang zijn erin geslaagd een pot vloeibare chloroform een quantumberekening te laten uitvoeren.
In aantocht
Het zal nog wel even duren voordat de server van uw lan of wan vervangen gaat worden door een pot chloroform of koffie, maar let op, de quantumcomputer is in aantocht. Die quantumcomputers zullen de bestaande computers qua snelheid enorm in het stof doen bijten. Het doorzoeken van enorme databanken zal voor deze computers een peulenschil zijn evenals het breken van ingewikkelde codes. Grootmeesters zullen het niet in hun hoofd halen om tegen dergelijke computers te schaken. De sleutel tot het succes van quantumcomputers ligt in het feit dat ze niet werken met bits, maar met qubits. Een qubits is niet een 0 of een 1, maar kan beide tegelijkertijd zijn.
Twee fasen
Wie iets van qubits wil begrijpen, moet iets weten van de quantumtheorie, de theorie over het gedrag van de kleinste deeltje waaruit de kosmos is opgebouwd. Een eigenaardige eigenschap van deze deeltjes is dat ze zich tegelijkertijd in twee verschillende fasen kunnen bevinden. Een atoomkern kan tegelijkertijd twee verschillende kanten opdraaien, een electron kan zich tegelijkertijd in twee verschillende banen bevinden en een foton kan tegelijkertijd gepolariseerd zijn in twee verschillende richtingen. Ergo: als deze deeltjes gebruikt kunnen worden als dragers van informatie kunnen ze tegelijkertijd een 0 en een 1 vertegenwoordigen. Zo’n deeltje dat tegelijkertijd een 1 en een 0 kan vertegenwoordigen wordt een qubit genoemd. Rare jongens dus die qubits.
Omdat een qubit tegelijkertijd twee waarden kan aannemen, kan een qubit in theorie simultaan betrokken zijn bij twee berekeningen. Twee qubits kunnen vier berekeningen uitvoeren en drie qubits acht berekeningen. De formule voor de rekenkracht van een quantumcomputer is daarom 2n (twee tot de macht n, waarbij n het aantal qubits van de computer is). Met het aantal qubits dat een quantumcomputer gebruikt, neemt de rekenkracht dus enorm toe. Wanneer n=50 dan zijn er tien tot de macht vijftig cijfers nodig om alle mogelijke fasen van de quantummachine te beschrijven. Bent u daar nog? Een betrekkelijk eenvoudige quantumcomputer zou volgens Chuang en Gershenfeld geen maand nodig hebben om een woord op te halen uit het World Wide Web; 27 minuten is genoeg.
Dat is mooi van die quantumdeeltjes zult u denken. Geef mij maar zo’n computer. Helaas zijn de quantumcomputers nog niet in de winkel. Dat komt omdat quantumdeeltjes zich niet zomaar laten inpakken en manipuleren. Volgens Heisenbergs onzekerheidsprincipe is het namelijk zo dat een quantumdeeltje allleen in twee verschillende fasen kan bestaan zolang deze fasen niet worden gemeten! Door de meting wordt het deeltje namelijk vastgepind in een fase. Een quantummechanisch verschijnsel houdt volgens deze elementaire wet van de quantumtheorie dus op te bestaan zodra het gemeten wordt.
Niet verstoren
De mensen die zich bezighouden met het ontwikkelen van quantumcomputers moeten manieren vinden om quantumdeeltjes te manipuleren en de fasen van quantumdeeltjes af te lezen zonder daarbij het quantummechanische fenomeen te verstoren. Neil Gershenfeld en Isaac Chuang, die deel uitmaken van een samenwerkingsverband tussen IBM, het Massachussetts Institute of Technology en Universiteiten van Oxford en Berkeley, hebben daar iets op gevonden. Ze manipuleren de richting van de atoomkernen van waterstof in een chloroformoplossing door deze in een variabel magnetisch veld te plaatsen. Door de richting van het magnetisch veld te laten fluctueren kunnen ze de draairichtingen van de atoomkernen beinvloeden. Dat is dus een manier om informatie op te slaan in quantumdeeltjes.
Maar hoe kan men de resultaten van een quantumfenomeen in de pot chloroform aflezen wanneer observatie het resultaat verandert? Gershenfeld en Chuang gebruiken hier boerenslimheid. De pot met chloroform bevat natuurlijk miljarden quantumdeeltjes. Door slechts een klein deel ervan te observeren blijft de grote meerderheid van de deeltjes intact. Het is net of ze in plaats van een verkiezing een opiniepeiling houden onder de deeltjes. Wanneer 25 procent van de geobserveerde deeltjes zich in fase A bevindt, dan zal dat ook gelden voor 25 procent van de niet-geobserveerde deeltjes. Dit stemt overeen met de theorie van Bohr die zegt dat quantumdeeltjes zich gedragen volgens kansberekening.
Nog tien jaar
Met behulp van een pot chloroform, een fluctuerend magnetisch veld, een algoritme en kansberekening zijn Gershenfeld en Chuang erin geslaagd hun quantumcomputer een zoekprobleem te laten oplossen. Het ging om het vinden van het juiste antwoord uit vier mogelijke oplossingen. In tegenstelling tot een gewone computer die de vier mogelijke oplossingen één voor één zou bekijken, kijkt de quantumcomputer naar alle vier oplossingen tegelijkertijd. Eén uit vier is natuurlijk peuterwerk maar het experiment is als een bom in geslagen in de wereld van het onderzoek naar quantumcomputers. Gershenfeld en Chunag denken nu dat er mogelijk over tien jaar quantumcomputers zullen zijn die serieuze problemen kunnen oplossen.
