Op het bureau van Evert van Nieuwenburg ligt een houten boter-kaas-en-eieren-spel. Er is alleen iets vreemds aan de hand met deze versie van de klassieker. De rondjes en de kruisjes zijn schuin doorgezaagd, zodat er ook halve rondjes en kruisjes kunnen worden gelegd.

De universitair docent computationele natuurkunde bedacht deze variant omdat hij aan het eenvoudige spel een scheut quantumtheorie wilde toevoegen die voor de nodige complicaties zorgt.

‘Het standaardspelletje is nogal saai, omdat iedereen met enige ervaring altijd gelijk speelt’, zegt Van Nieuwenberg. ‘In deze versie zitten in de spelregels quantumeffecten verstopt. Je mag per beurt twee kruisjes of rondjes neerzetten: dat is een verwijzing naar superpositie.

levend of dood

‘Heel kleine deeltjes, bijvoorbeeld elektronen, hebben de eigenschap dat ze op meerdere plekken tegelijkertijd kunnen zijn, of meerdere toestanden tegelijkertijd kunnen hebben. Denk aan het bekende gedachte-experiment van Schrödingers kat in de doos: die kan zowel levend als dood zijn, of wakker of slapend, het kan van alles zijn. Dat is een fundamentele eigenschap van quantumdeeltjes.’

Een ander kenmerk is verstrengeling. ‘Als je twee of meerdere quantumdeeltjes hebt, dan kunnen die een bepaalde toestand met elkaar delen. De toestand van het ene deeltje, kun je niet meer los zien van het andere. In ons spel kun je op een plek met een half kruisje en een half rondje staan. Als de ene plek een rondje blijkt, dan moet de ander een kruis worden. Op 14  april , Wereldquantumdag, organiseren we een online toernooi. Het is niet alleen voor kinderen. Studenten en promovendi spelen het bijvoorbeeld ook. Opvallend is dat quantumdeskundigen niet automatisch goed zijn in het spel.’

Quantumdammen

Van Nieuwenberg ontwikkelde de upgrade van boter-kaas-en-eieren omdat hij mensen wil laten kennismaken met de komst van de quantumcomputer en de revolutie die dat gaat ontketenen. Donderdag geeft hij er een lezing over in het Gorlaeus. ‘Door het spelen van dit spel, maar ook bijvoorbeeld quantumdammen, waar je halve witte en zwarte stenen in een vlak kunt plaatsen, leer je denken over verstrengeling. Zo ontwikkel je intuïtie voor quantum.’

Een quantumcomputer werkt anders dan een klassieke computer waar de kleinste informatie-eenheid de bit, de waarde 0 of 1 heeft. De quantumcomputer rekent echter met qubits, die de waarde 0 én 1 hebben. ‘Dat is die superpositie. Je kunt dus zeggen: als mijn elektron hier is, dan interpreteer ik dat als een 0 en als hij ergens anders is, is het een 1. Je maakt dus gebruik van die quantum-eigenschappen om berekeningen te doen.

‘Het soort vraagstukken dat een quantumcomputer goed kan oplossen is bijvoorbeeld de kortste route tussen steden bepalen. Dat is geen probleem voor een reguliere computer als het om een beperkt aantal steden gaat, maar als het om 10.000 steden gaat wordt het ingewikkeld. Een reguliere computer moet elke route individueel berekenen, een quantumcomputer niet.’

Quantum kan bepaalde sectoren een flinke boost geven. ‘Dan moet je denken aan het ontwikkelen van nieuwe materialen en medicijnen. Bij drug design moet je heel veel berekeningen doen over hoe eiwitten op andere eiwitten aansluiten. Dat zijn problemen waarvan we denken dat de quantumversie van het algoritme ze sneller oplost.’

wachtwoorden kraken

Een ander punt is de impact die quantumcomputers zullen hebben op cybersecurity. ‘Quantum heeft helaas vaak nog steeds een beetje een eng imago. In de media zie je veel berichtgeving over quantumcomputers die wachtwoorden kraken. Het is ook zeker zo dat ze encryptie, die is gebaseerd op een wiskundig probleem waar klassieke computers ontzettend lang over doen, gaan veranderen. Maar er zijn ook problemen die quantumcomputers niet sneller oplossen dan reguliere computers. Als we onze cryptografie daarop baseren, heb je aan een quantumcomputer niks. Deze alternatieven noemen we post quantum cryptography.’

Quantumcomputers zijn er al, maar ze zijn nog lang niet effectief. ‘Alles wat een deeltje verstoort, of het nou een tram is die een kilometer verder langsrijdt of een zuurstofatoom dat er tegenaan knalt, zorgt ervoor dat die quantumtoestand verloren gaat. Je moet er dan ook voor zorgen dat je zo’n quantumsysteem isoleert van de buitenwereld. Daar zijn zeer koude temperaturen voor nodig, 270 graden onder nul, want dan staan moleculen vrijwel stil en heb je geen last van trillingen.’

Bij kleine deeltjes heb je ook heel veel last van ruis. ‘Om dat op te vangen, moet je aan foutcorrectie doen, daar zijn hele protocollen voor. Het gevolg is dat er extra qubits voor nodig zijn. Dus uiteindelijk heb je een apparaat met 60 qubits, maar zijn 59 daarvan nodig om alles stabiel te houden.’

Meer ophef

Qubits kunnen bijvoorbeeld atomen of fotonen zijn, maar ook het Majorana-deeltje is een mogelijkheid. ‘Dat is een zogenoemde topologische qubit en is theoretisch– als je het systeem goed genoeg zou maken – ongevoelig voor ruis.’

Microsoft maakte in februari bekend de eerste Majorana-processor te hebben ontwikkeld. Van Nieuwenburg is enigszins sceptisch. ‘Het lijkt erop dat er een stap is gezet, en dat is een goede ontwikkeling, maar ik denk niet dat het de doorbraak is die de persvoorlichting van Microsoft ervan maakt. Als ze echt een volledig topologische qubit hebben ontwikkeld was er veel meer ophef over geweest.’

Over het desbetreffende artikel in Nature over Microsofts ontdekking wordt door experts nog volop gediscussieerd. Van Nieuwenburg durft niet in te schatten wanneer de eerste efficiënte quantumcomputer er zal zijn. ‘Er zijn echter steeds doorbraken die we eigenlijk pas later hadden verwacht. Ik zou het dan ook niet raar vinden als het toch ineens iemand lukt om een effectieve topologische qubit te bouwen.’

Evert van Nieuwenburg
Klaar voor Quantum?! 
Donderdag 20 maart 2025, 19:45 - 21:30 uur
Collegezalengebouw, Einsteinweg 57
Speel het spel op tiqtaqtoe.com