Deeltje zonder eigenschappen

, Gerard Janssen

Natuurkundige Leo Kouwenhoven vond het Majorana-deeltje en ligt met zijn team op kop in de internationale wedloop om de quantumcomputer, blijkt uit de VPRO 2Doc: De race onder regie van David Kleijwegt.

Op 25 maart 1938 stond een jonge man met donkere, glanzende ogen en gitzwarte haren in de haven van Palermo. Hij zag eruit als een Arabische prins. Hij stond op het punt om op de boot naar Napels te stappen. Hij kwam nooit op zijn bestemming aan. Ettore Majorana was toen 32 jaar oud.

Majorana was een van de Ragazzi di via 
Panisperna (Jongens van de Via Panisperna), een groep natuurkundigen onder 
leiding van Enrico Fermi, die later bekend zou worden als de architect van de atoombom. De ragazzi deden de eerste atoomexperimenten in de achtertuin van het 
natuurkundepand aan de Via Panisperna, een straat in het centrum van Rome. Tussen de goudvissen in de vijver beschoten ze uranium met langzame elektronen.

Fermi deelde natuurkundigen in drie 
categorieën in. De meeste natuurkundigen 
deden hun best, maar kwamen niet ver, vervolgens was er de categorie heel goede natuurkundigen, waartoe hij zichzelf 
rekende, en ten slotte de buitencategorie, genieën die maar eens in de paar honderd jaar voorbijkwamen: Galilei, Newton en... Ettore Majorana.
Toen Fermi jaren later aan de atoombom werkte en vastliep op een lastig probleem zei hij tegen Robert Oppenheimer: ‘Was Ettore er maar.’

Was Majorana van de boot gesprongen? Zelfmoord was zeker een mogelijkheid. Majorana was depressief. Hij kon niet goed overweg met mensen. Hij ergerde zich aan zijn eigen domheid en vond andere mensen nog veel dommer, op het absurde af. Maar waarom had hij zijn paspoort meegenomen? En waarom had hij vlak voor vertrek een groot geldbedrag van de bank gehaald? Verschillende geruchten begonnen rond te zoemen. Hij zou in gewetensnood zijn geraakt en naar het klooster van Serra San Bruno zijn gegaan. Een ander 
gerucht was dat de nazi’s hem hadden 
ontvoerd om hem te dwingen mee te 
werken aan het Duitse atoombomproject.

Fermi’s dochter herinnert zich dat haar 
vader zei dat de zoektocht naar Majorana een hopeloze zaak was: ‘Ettore is te intelligent. Als hij besloten heeft te verdwijnen, zal niemand hem kunnen vinden.’

Toverwereld

Majorana publiceerde weinig. Maar vlak voor zijn verdwijning schreef hij een 
artikel waarin hij een obscuur deeltje voorspelde. Een deeltje zonder massa, zonder lading en zonder magnetisme, een deeltje zonder eigenschappen. Een deeltje dat zijn eigen antideeltje was – zijn eigen spiegelbeeld. Een spookdeeltje. Het Majoranadeeltje.

Lang was het Majoranadeeltje een voetnoot in het grote boek van de natuurkunde. Maar de laatste jaren is er veel interesse in het Majoranadeeltje. Juist door zijn 
ongrijpbaarheid zou het de sleutel kunnen zijn tot het bouwen van een quantumcomputer.

'De quantumcomputer is zoiets als perron 9¾ in de boeken van Harry Potter. Een 
toegang tot een toverwereld. Een poort naar de quantumwereld.'

De quantumcomputer is de heilige graal van de natuurkunde. Een droommachine die ons kan laten rekenen zoals de natuur rekent. Zoals God rekent, zou een religieus persoon zeggen. Een quantumcomputer zal proefdieren en proefpersonen overbodig maken bij het testen van nieuwe medicijnen. Een quantumcomputer zal nieuwe supermaterialen kunnen ontwerpen, die een oplossing bieden voor het energieprobleem. Een quantumcomputer kan betere alternatieven voor kunstmest berekenen.

De quantumcomputer is zoiets als perron 9¾ in de boeken van Harry Potter. Een 
toegang tot een toverwereld. Een poort naar de quantumwereld.

Ongeveer honderd jaar geleden ontdekte een kleine groep natuurkundigen dat ongeveer alles wat we kunnen zien, zoals de kleur van gras of de glans van goud, te verklaren is als we accepteren dat de microscopisch kleine wereld zich belachelijk gedraagt, dat deeltjes op meerdere plaatsen tegelijk kunnen zijn, of tegelijkertijd linksom en rechtsom kunnen draaien. Deze 
wereld was wiskundig goed te beschrijven, maar ook letterlijk onvoorstelbaar. ‘Als je denkt dat je quantummechanica begrijpt dan begrijp je de quantummechanica niet,’ is een beroemde uitspraak van de Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman, die zich in de jaren tachtig realiseerde dat onze computers niet geschikt waren om deze quantumwereld te simuleren. Daarvoor heb je een computer nodig met onderdelen die zich net zo maf gedragen als deeltjes in de quantumwereld.

Qubits

Onze huidige computers bevinden zich in de dreuzelwereld. Ze kunnen de banen van miljoenen sterren tegelijk berekenen, maar bij een computersimulatie van een molecuul groter dan twintig atomen, begint de grootste Chinese supercomputer heen en weer te schudden en rook uit te spugen.

Het exact berekenen van een eiwit van duizenden atomen ligt ver buiten het bereik van de huidige supercomputers. Om enzymen en andere complexe moleculen te kunnen simuleren zijn klassieke computers ongeschikt. Daarom moeten medische wetenschappers medicijnen nog steeds testen op proefdieren en mensen.

Het geheim van de quantumcomputer is dat hij niet werkt met bits, die alleen 1 of 0 kunnen zijn, maar met qubits die 1 én 0 tegelijk kunnen zijn. Als een lamp die zowel aan als uit is. Een quantumcomputer met meerdere qubits kan zich als het ware opsplitsen in een hele reeks computers in parallelle universa.

De quantumcomputer was tot voor kort een wazige droom. Iets wat alleen op papier bestond. Onmogelijk om te maken. Een beetje zoals de trap van Escher waarop monniken in dezelfde richting lopen, maar tegelijkertijd ook eindeloos naar boven en naar beneden lopen. Zo’n trap kun je tekenen, je kunt hem alleen niet echt bouwen.

Maar we bevinden ons in een bijzondere tijd. Onlangs zijn natuurkundigen erin geslaagd om echte quantummachientjes te bouwen. Natuurkundigen bestuderen en beschrijven de quantumwereld niet meer alleen, ze manipuleren die nu ook. In 2009 slaagden Andrew Cleland en John Martinis erin om een minuscuul stukje metaal, vergelijkbaar met een microscopisch kleine duikplank, op twee manieren te laten trillen. Tegelijkertijd. Alsof de wereld zich in tweeën had gesplitst en er een dikke man en een klein jongetje op hetzelfde moment op de duikplank stonden te springen.

Het bizarre van deze quantummachientjes is dat ze verdwijnen als we ernaar kijken. Al gebruiken we een supermicroscoop zo groot als een raket, we zien alleen maar enkelvoudige dreuzeldingen. Zo is het ook met qubits. Als we ernaar kijken veranderen ze in gewone bits. Dit maakt het bouwen van een quantumcomputer extreem lastig. We moeten qubits aan elkaar koppelen, zonder dat we ze verstoren.

'Er was alleen een klein probleem. Niemand had ooit een Majoranadeeltje waargenomen.'

Kaartenhuis

Qubits zijn er nu in verschillende soorten en maten. De populairste zijn supergeleidende qubits, die dicht bij het absolute nulpunt van 273 graden onder nul in twee toestanden kunnen zijn, alsof het universum zich opgesplitst heeft in twee universa. Deze qubits worden snel verstoord door elektromagnetische velden en kosmische deeltjes. Het is als het bouwen van een kaartenhuis. Met vier kaarten lukt het nog, met honderd kaarten is het een drama.

En hierop is het spookdeeltje van Majorana misschien het antwoord. Doordat het deeltje zo weinig eigenschappen heeft, heeft het ook weinig last van verstoringen. Slimme wiskundigen ontdekten dat je er heel stabiele qubits mee kunt maken. Met deze qubits kon je in theorie de speelkaarten in het kaartenhuis vervangen door legosteentjes, waarmee het veel makkelijker bouwen is.

Er was alleen een klein probleem.

Niemand had ooit een Majoranadeeltje waargenomen.

In 2010 was er een doorbraak. Israëlische en Amerikaanse wiskundigen bedachten hoe je Majoranadeeltjes kon maken in langwerpige kristallen. En zo kwam het dat de Delftse natuurkundige Leo Kouwenhoven in het centrum van de quantumcomputerrace belandde. Hij was dankzij een unieke samenwerking met Erik Bakkers van de TU Eindhoven een expert op het gebied van de langwerpige kristallen waarin het Majoranadeeltje zou moeten opduiken.

Van een mysterieuze club wiskundigen in dienst van Station Q, een geheimzinnige afdeling van Microsoft in Santa Barbara, kreeg Kouwenhoven een interessant bedrag om de Majoranadeeltjes te gaan zoeken. Hij nam drie promovendi aan: Ilse van Weperen, Vincent Mourik en Kun Zuo. Van Weperen testte de kristallen. Mourik en Zuo maakten er kleine elektrische schakelingen van, volgens recept van de Israëlische en Amerikaanse wiskundigen. Ze schoven de schakelingen in cilindervormige superkoelkasten en koelden die tot 273 graden onder nul af.

De euforie was groot toen Kouwenhoven in januari 2012 resultaten toonde tijdens een besloten conferentie op de Maagdeneilanden. Bij Station Q in Santa Barbara gingen de champagneflessen open. Een paar maanden later vloog het nieuws de wereld over. Op de cover van het Amerikaanse tijdschrift Science stond een artistieke impressie van de chip van Leo Kouwenhoven en zijn team.

Mediacircus

Het Majoranadeeltje was na bijna 75 jaar ontdekt, maar tijd om van dit succes te genieten was er niet. Het hogere doel is de Majoranaqubit.

Als het lukt om deze te maken, levert dat waarschijnlijk een Nobelprijs op, en nog bijzonderder, een mogelijke bouwsteen van een machine die de wereld zou kunnen veranderen. Meerdere wetenschappelijke teams zijn nu in de race om de eerste 
Majoranaqubit te maken. Kouwenhovens vriend en concurrent Charles Marcus doet een poging in Kopenhagen. En niemand weet wat er nu in China allemaal gebeurt.

Zeven jaar duurt deze race nu al. En in die tijd heeft zich daaromheen een veel grotere race ontwikkeld. In de VS is afgelopen december de National Quantum Initiative Act getekend. Daarbij komt er 1,2 miljard dollar vrij voor onderzoek naar de quantumtechnologie. De Chinese overheid heeft maar liefst tien miljard dollar uitgetrokken om een Nationaal Laboratorium te bouwen in Hefei.

'Het is een mediacircus. Het zijn mooie plaatjes en weidse vergezichten. Het gaat nu om overheidsgeld, prestige en het lokken van de beste mensen.'

Het ene patent na het andere wordt nu ingediend door de techgiganten. Intel, Alibaba en Tencent maken van ‘quantum’ een speerpunt. Google pronkt met een chip met 72 qubits. IBM heeft met veel bombarie een glazen bol met de eerste ‘commerciële’ computer van twintig qubits gepresenteerd. Microsoft, dat inzet op de Majoranaqubit, heeft nog niet eens één qubit, maar presenteerde wel met veel tromgeroffel een Quantum Dream Team, onder leiding van Todd Holmdahl, die eerder de Xbox en de Kinect ontwikkelde.

Een zinnige berekening is nog nooit gedaan met een quantumcomputer. De berekening dat vijftien hetzelfde is als drie keer vijf is ongeveer the state of the art. Het is een mediacircus. Het zijn mooie plaatjes en weidse vergezichten. Het gaat nu om overheidsgeld, prestige en het lokken van de beste mensen.

Nog steeds kan niemand voorspellen wanneer de eerste echte quantumcomputer er is, een machine waarmee je grote moleculen kunt simuleren. Misschien duurt dat nog wel decennia.

Venezuela

Maar zoals dat gaat met hypes: er is wel degelijk iets bijzonders aan de hand. Het eerlijke verhaal is dat er overal ter wereld jonge mannen en vrouwen keihard aan het werk zijn om apparaatjes te maken die magische quantumeigenschappen hebben. Wat daar precies uit zal komen? Niemand weet het. ‘Voorspellen is moeilijk, zeker als het over de toekomst gaat,’ zei Niels Bohr. Dat er heel bijzondere nieuwe dingen gemaakt zullen worden, is zeker.

En misschien is er de komende jaren een doorbraak, zoals een stabiele Majoranaqubit in het lab in Delft. Dan is het – om in atoombomtermen te blijven – 1938 en zal de druk enorm worden op wetenschappers die een doorslaggevende rol kunnen spelen, zoals Leo Kouwenhoven.

Maar verdwijnen is tegenwoordig een stuk moeilijker geworden.

7 juni 2011 verscheen het verhaal in de Italiaanse media dat de politie een foto geanalyseerd heeft van een man in Argentinië. Het gezicht op de foto kwam op tien punten overeen met het gezicht van Majorana. 4 februari 2015 heeft het parket van Rome de verklaring afgegeven dat er voldoende bewijs is dat Majorana tussen 1955 en 1959 verbleef in Venezuela. Omdat er niks strafbaars gevonden werd, is daarmee de zaak gesloten.

Dit artikel verscheen eerder in de VPRO Gids, in de uitgave van 2 februari t/m 8 februari 2019. De schrijver van het artikel is wetenschapsjournalist Gerard Janssen, inspirator van de documentaire De Race.