Natuurkundigen richten hun vizier strak op de quantumcomputer. De grote techbedrijven steken vele honderden miljoenen in die mysterieuze machine. De competitie is groot, weet Seth Lloyd (58), die op 5 juni naar Leiden komt om een lezing te geven.

Lloyd werkt als professor werktuigbouw- en natuurkunde aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en geldt als de absolute expert. Als promovendus bestudeerde hij in de jaren tachtig de eerste wetenschappelijke ideeën over quantumrekenen van Richard Feynman, een sleutelfiguur in de quantummechanica. ‘Allemaal razend interessant’, zegt hij in een FaceTime-gesprek vanuit zijn kantoor in Cambridge, Massachusetts, ‘maar nogal abstract’. Een echte quantumcomputer bouwen, dat wilde hij. En hij stelde het in 1993 als allereerste voor in een geruchtmakend artikel in Science: ‘A Potentially Realizable Quantum Computer’.

Wat zijn quantumcomputers eigenlijk?
‘Het zijn apparaten die informatie verwerken. Maar dat doen ze op het niveau van individuele atomen of ionen, fotonen, elektronen of supergeleidende circuitjes. De quantummechanica dicteert hun gedrag, en die is erg vreemd en tegenintuïtief. Zo kunnen twee elementaire deeltjes onlosmakelijk van elkaar op de hoogte zijn, ongeacht hun onderlinge afstand. Dan heten ze verstrengeld, wat Einstein een “griezelig effect op een afstand” noemde. Het is dus lastig je een voorstelling te maken van quantummechanica. Quantumcomputers zijn erfgenaam van al deze vreemde eigenschappen.’

Wat is het verschil met klassieke computers?
‘Die werken met bits: de kleinste bee- tjes informatie. Ze vertegenwoordigen alleen het onderscheid tussen twee opties, die 0 of 1 kunnen heten, waar of onwaar, ja of nee, wat dan ook. Een computer slaat dat op in een minicondensator, een soort emmer voor elektronen. Als de condensator leeg is, dus ongeladen, noemen we dat 0; als de emmer vol is, dus geladen, heet het 1. Dat gegevens in een rij nullen en enen zijn weergegeven, heet digitaal; bits zijn dus digitaal, en computers daarom ook.
‘Quantumcomputers werken ook digitaal. Maar een quantumbit, of een qubit, heeft de geinige eigenschap dat het tegelijkertijd 0 en 1 kan zijn.
Als je op het niveau van een condensator voor één enkel elektron kijkt, gebeurt daar hetzelfde. Het elektron zit erin of niet, 1 of 0. Maar de quantummechanica staat een zo’n elektron toe dat het erin zit en tegelijk ook niet. Een quantumbit kan daarom op hetzelfde moment 0 en 1 registreren, op een vreemde, quantummechanische manier die niemand begrijpt.
‘Het druist tegen de intuïtie in, ook die van mij. De wiskunde mag ik dan snappen, maar ik zie nergens een frisbee of voetbal op twee plekken tegelijk zijn. Als mens is het eigenlijk onbegrijpelijk.’

Wat bracht uw Science-artikel destijds teweeg?
‘Ik realiseerde me dat je atomen, vrij rechttoe rechtaan, kon raken met lasers zodat ze bepaalde bewerkingen in de quantumlogica zouden kunnen uitvoeren. Halverwege de jaren negentig heb ik met collega’s op MIT de eerste quantumalgoritmen geschreven. Die toonden aan dat een quantumcomputer in principe kon werken. Wat quantumcomputers pas echt interessant maakte: je zou supergrote getallen kunnen ontbinden in factoren. De zogeheten asymmetrische cryptografie is daarop gestoeld: dat stelt je in staat om dataversleuteling op het internet te kraken, een tamelijk ontwrichtende toepassing.
‘Daarna nam het echt een hoge vaart: niet honderden, maar duizenden mensen stortten zich op de quantumcomputer. Tegen de millenniumwisseling werden de eerste supergeleidende quantumbits samengesteld. Het hele terrein van quantuminformatietheorie werd vervolgens in kaart gebracht. Mensen vroegen zich af welk soort vragen een quantumcomputer zou kunnen oplossen en welk soort schijnbaar niet.’

Waartoe hebben al die inspanningen geleid?
‘Vijf jaar geleden waagde Google zich eraan: ze investeerden 100 miljoen dollar. Daarop kwamen IBM en Microsoft, die er al twintig jaar actief in waren, ook met dergelijke bedragen. Intel wilde niet achterblijven, en stak 100 miljoen dollar in het quantumlab van de TU Delft. Dat moet vruchten gaan afwerpen. Het factoriseren van heel grote getallen is nog altijd toekomstmuziek, maar de huidige quantumcomputers weten steeds beter quantumsystemen te simuleren. Dat klinkt misschien nogal esoterisch, maar het is belangrijk in de chemische technologie, in medicijnontwikkeling.
‘Microsoft verzorgt ook lezingen waarin ze aankondigen het voedselprobleem uit de wereld te zullen helpen met hun quantumcomputers. Vermakelijk, maar zij lopen nu eenmaal achter in de quantumrace. Ze hebben ingezet op een wat speculatieve technologie, dan krijg je boude beweringen. Dat werkt soms op de lachspieren.’

Gaat het Jan en alleman ook iets opleveren?
‘We kunnen de privacy van informatie sterk verbeteren. Quantum- algoritmen analyseren data op een interessante manier. Stel dat je de patiëntendossiers van alle Nederlanders in een quantumtoestand opslaat. Dan beeld je, zeg, een terabyte – dat zijn acht biljoen, ofwel achtduizend miljard, bits – af op veertig quantumbits. Die kan je eenvoudig uitlezen op globale eigenschappen, maar juist daarom is er geen toegang tot individuele gegevens.’

Gaan we zélf ook ooit quantumcomputeren?
‘Als het commerciële succes ervan komt, zou je een quantumcomputer niet willen gebruiken voor tekstverwerking. Maar voor privécommunicatie is het veelbelovend. Er gaat flink aan de weg worden getimmerd van het quantuminternet: een infrastructuur voor veilige, volstrekt vertrouwelijke quantumcommunicatie. De quantummechanica laat intrinsiek meer privacy toe; het biedt mensen de ruimte om opener te zijn.
‘Ook vind ik een quantum game een boeiende toepassing. In de speltheorie – die speelt in de economie en psychologie een rol van betekenis – bestaat het zogeheten prisoner’s dilemma. Dat is een illustratieve afweging waarvoor twee verdachten staan: degene die de ander verraadt, wordt beloond; doen beiden dat, ontvangen ze allebei straf. Dat lokt een negatieve uitkomst uit.
‘Quantum games kunnen op dat vlak positiever uitpakken. Wie weet waar het goed voor is? Wellicht kunnen we op het quantuminternet de tragedy of the comments vervangen door de triomf van de quantum comments, de quomments.’

Seth Lloyd, Quantum computing past, present, and future, Oortgebouw, Woensdag 5 juni, 19.30 uur