Al op het gymnasium raakte Anne-Marije Zwerver gefascineerd door quantummechanica. Nu is zij onderzoekster bij het instituut QuTech dat wereldwijd een vooraanstaande rol speelt bij de ontwikkeling van quantumcomputers. Voor haar werk en de communicatie erover ontving zij de Minervaprijs 2022, die uitgereikt wordt tijdens NWO Physics 2023 (4 en 5 april).
De Minervaprijs, een gezamenlijk initiatief van de Nederlandse Natuurkundige Vereniging (NNV) en de Dutch Physics Council (DPC), is bedoeld voor jonge, veelbelovende vrouwelijke of niet-binaire fysici in Nederland, die excelleren in een natuurkundig vakgebied, experimenteel en/of theoretisch. In een toelichting op de onderscheiding meldt de jury dat ze zeer onder de indruk is van het werk van onderzoekster, zowel op het gebied van natuurkunde als op het gebied van outreach, onderwijs en wetenschapscommunicatie. We lezen verder: ‘Zwerver promoveerde in 2022 en heeft als promovendus al flink aan de weg getimmerd. Ze stond aan het hoofd van de metingen van de eerste quantum-dot-qubits gemaakt in een industriële cleanroom, een prestatie die wereldwijd de krantenkoppen haalde. Ze was ook de eerste die een elektronenspin over meerdere siliciumquantumdots heen en weer stuurde. In haar promotietijd gaf ze verschillende keren op persoonlijke uitnodiging lezingen op grote conferenties; het feit dat een PhD-student dit soort persoonlijke uitnodigingen ontvangt, is nogal ongebruikelijk.’
Leraar
Zwerver is opgegroeid in een academisch milieu. Vader is fysisch chemicus, moeder is juriste. Op het Barlaeus Gymnasium in Amsterdam raakte zij in de greep van de quantumfysica. ‘Het heeft voor mij – nog steeds – iets bijna magisch dat iets twee toestanden tegelijk kan hebben. Daar wilde ik meer van weten. Zeker toen ik hoorde over het gedachte-experiment Schrödingers kat. Het is iets tegen-intuïtiefs, fascinerend. En eigenlijk weten we er nog steeds het fijne niet van.’
Dat haar vader iets vertelde over quantum wekte haar nieuwsgierigheid. Maar, vertelt Zwerver, haar leraar natuurkunde op het Barlaeus wist zijn geestdrift echt op haar over te brengen. ‘Een heel aardige man. Ik had jaren geen contact meer met hem, maar toen ik de Minervaprijs won, feliciteerde hij mij.’
De prijs bestaat uit een plastiek (een uil) en een bedrag van vijfduizend euro. Zij wil het geld besteden aan een manier om jonge mensen te stimuleren een technisch wetenschappelijke studie te doen. ‘Als je nu een zesjarig kind vraagt een wetenschapper te tekenen, geheid dat je dan een witte man in een witte jas, misschien met een bril, krijgt te zien. Niet een vrouw, niet iemand met een gekleurde huid. Dat wil ik veranderen. Ik weet nog niet hoe we dat kunnen doen, maar daar ga ik de komende tijd op broeden.’ Bij QuTech gaat het volgens haar de goede kant op. Jarenlang was zij bijna de enige vrouw in haar onderzoeksgroep, maar nu heeft zij gezelschap van vier, vijf anderen.
TU Delft
Na haar gymnasium doorliep ze in Oxford een vijf maanden durend programma in Engels, filosofie, psychologie, kunstgeschiedenis en politieke wetenschap. Maar quantum bleef knagen. In 2008 monsterde zij aan op de TU Delft, waar zij haar Master Toegepaste Natuurkunde haalde. Aan promoveren dacht zij toen nog niet. ‘Ik vond het onderzoek doen verschrikkelijk. Een half uur naar een druppel water kijken om te kunnen vaststellen wanneer en hoe het zou vallen. Echt niks voor mij.’
Haar Master-stage bij QuTech – een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, ontstaan in 2013 en een door de staat erkend Topinstituut – bracht haar op andere gedachten. Dat onderzoek naar quantum, in een inspirerende omgeving, boeide haar mateloos. Uiteindelijk is zij gepromoveerd in mei 2022 op het onderwerp ‘Scaling spin qubits in quantum dots more – distant – industrial’.
Dit onderzoek is niet onopgemerkt gebleven. Het haalde het tijdschrift Nature Electronics (maart 2022) en stond zelfs op de omslag. Zij vroeg zich af waar zij haar promotie zou doen. Google was net begonnen met een quantum-onderzoeksgroep, Microsoft nog niet, IBM was ermee bezig. Maar alles nog in de kinderschoenen. QuTech daarentegen hoort wereldwijd tot de top van onderzoeksinstituten op dit vlak. Het avontuurlijke van in het buitenland werken, legde het af tegen de drang op hoog niveau quantumcomputers te doorgronden.
Intel
Samen met haar groep heeft Zwerver het voor elkaar gekregen qubits op industriële manier, zoals dat ook gebeurt met de ‘gewone’ computerchips, te maken – een voorwaarde om de quantumtechnologie te kunnen opschalen. Het opschalen en aansturen van qubits is iets waar zij veel onderzoek naar heeft gedaan. ‘Onze qubits bestaan uit elektronen. Het proces lijkt zoveel op hoe normale chips worden gemaakt. Dat maakt het zinvol om samen te werken met een bedrijf als Intel. Wij kunnen heel veel van hen opsteken. Als in de academische wereld na fabricage tien procent van de chips werkt, dan gaat de vlag uit. Als er bij Intel één chip uitvalt, dan gaat meteen een onderzoek worden gestart hoe dat toch mogelijk is geweest. Tegelijkertijd kunnen zij veel van ons leren over het maken en aansturen van qubits.’
Andere groepen binnen QuTech doen onderzoek naar de foutcorrectie van qubits om zeker te zijn dat de uitkomst van de berekeningen valide is. Of zij doen onderzoek naar de stabiliteit van de qubits. Alles gebeurt op zulke kleine schaal dat minieme verstoringen, zoals een afwijkende temperatuur, grote gevolgen kunnen hebben, legt Zwerver uit. ‘De levensduur van een qubit is belangrijk, omdat we gedurende die tijd alle berekeningen willen hebben uitgevoerd. We zitten nu op 99.9 procent betrouwbaarheid van de qubit, maar dat kan natuurlijk altijd beter.’
De komende tijd richt Zwerver zich op teleportatie van qubits. ‘Dan gaat het over de informatie in die qubit, niet de materie zelf. We hebben het over micrometers, maar het zou een hele prestatie zijn als het lukt om, gebruikmakend van de verstrengeling, de informatie te verplaatsen.’
Thomas J. Watson
De kans dat een artikel als deze ooit op een quantumnotebook wordt getikt, lijkt miniem. In een YouTube-filmpje over quantumcomputing vertelt Zwerver dat Thomas J. Watson, lange tijd ceo van IBM, in 1943 zei dat er wereldwijd een markt was voor vijf computers.
Het liep anders. Kunnen we eenzelfde ontwikkeling – van mainframe naar laptop/smartphone – verwachten van quantumcomputers? Zwerver vindt het een interessante vraag, maar verwacht die ontwikkeling niet. ‘Qubits hebben een gekoelde omgeving nodig van min 269 graden Celsius of kouder. Er moet dus altijd een koelmachine zijn. Zo’n mengkoeler kan wellicht kleiner en ik verwacht dat er de komende dertig jaar veel vooruitgang geboekt gaat worden, maar denk toch dat quantumrekenkracht in de cloud gehuurd gaat blijven. Hooguit een paar bedrijven of universiteiten zullen het zich kunnen veroorloven zelf een quantumcomputer aan te schaffen.’ Dat zijn volgens haar dan bedrijven die onderzoek doen naar medicijnen, instituten die klimaatmodellen ontwikkelen en willen doorrekenen; organisaties die gewoon heel veel rekenkracht nodig hebben.
Onlangs nog was Zwerver op het congres over dit onderwerp. ‘Er is een gezonde concurrentie tussen de onderzoeksgroepen’, ervaart zij. ‘Maar ik heb niet de indruk dat mensen in onderzoeksgroepen informatie achterhouden. Iedereen is erg open en wil dat we met elkaar quantumcomputing beter begrijpen en verder brengen. bedrijven die onderzoek doen naar quantumcomputers (zoals Ivm en Google) zijn terughoudender met het delen van informatie.’
