Tweet

‘Het is er altijd helemaal en helemaal niet’ /reageer

De Leidse theoretisch natuurkundige Anton Akhmerov promoveerde vorig jaar op een onderzoek naar functionele toepassingen van grafeen, een eenlaags koolstof dat de afgelopen jaren volop in de belangstelling staat. En ook nog op een studie naar quantumcomputers, omdat hij tijd overhad in zijn onderzoek.

‘Grafeen is sterk, doorzichtig, flexibel, en het laat elektronen door alsof die geen massa hebben. Toepassingen genoeg te bedenken dus in de steeds kleinere wordende elektronica,’ aldus Akhmerov. En ook voor hem was het een reden om zijn voorbeelden, Andre Geim en Konstantin Novoselov die grafeen in 2004 voor het eerst maakten – en daarvoor de Nobelprijs voor Fysica kregen, te volgen met een onderzoek naar deze bijzondere stof.

De Rus Akhmerov richtte zijn onderzoek op een onderdeel van de nieuwe stof die nog niet veel aandacht kreeg, de randen van grafeen. Aan de randen van grafeen gebeurt iets anders dan binnenin het materiaal.

De koolstofatomen in grafeen zijn gestructureerd zoals het rooster van kippengaas. ‘Ik heb een wiskundige beschrijving opgesteld over hoe de massaloze elektronen aan de randen van grafeen kunnen weerkaatsen,’ vertelt Akgmerov. ‘Voor het verwerken van grafeen in functionele toepassingen is dat belangrijke informatie.’

Dat blijkt ook wel, de theoretische beschrijving van Akhmarov is al bijna honderd keer geciteerd sinds publicatie van het artikel, in 2007. En omdat veel wetenschappelijke vindingen uiteindelijk vaak worden vernoemd naar de ontdekker, houden de collega’s van Akhmerov er al grappend rekening mee dat ze in de toekomst kunnen spreken van de Akhmerov-randvoorwaarden.

Rekenkracht

Maar nog tijdens zijn promotie ging Akhmerov bij het Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde (LION) een andere kant op. Hij zocht het opnieuw in een onderwerp waar nog veel werk te verrichten viel, topologische materialen. En dat doet hij nog steeds. ‘Topologische materialen hebben sterk geleidende eigenschappen. Ik heb onderzocht hoe je deze materialen kunt inzetten bij het bouwen van een kwantumcomputer.’

Een kwantumcomputer maakt gebruik van het principe dat elementaire deeltjes in meer dan twee toestanden kunnen verkeren. Zo kun je niet alleen rekenen met een bit, 1 of 0, maar met een kwantumbit, een qubit. Dat is een eenheid waar een kwantumdeeltjes in verschillende toestanden tegelijk kan voorkomen. Dat vergroot de rekenkracht van een computer aanzienlijk omdat een qubit veel meer informatie kan bevatten dan een bit. Die is enkel aan of uit, uitgedrukt in 1 of 0.

Maar de kwantumcomputers die nu gebouwd kunnen worden, zijn nog zeer onstabiel. ’Ik heb nu een aantal manieren beschreven om met topologische materialen dit probleem aan te pakken’, legt Akhmerov uit. ‘Hiervoor gaan we samenwerken met de Delftse groep van Leo Kouwenhoven.’

The Big Bang Theory

Hoewel hij een jonge onderzoeker is, is Akhmerov al hard bezig nationaal en internationaal naam te maken. In een aflevering van de populaire Amerikaanse comedyserie The Big Bang Theory wordt een afbeelding uit zijn proefschrift gebruikt.

Op het schema dat wordt gebruikt in de serie is het theoretische gedrag te zien van het deeltje dat Akhmerov op dit moment met bijzondere interesse bestudeert, het zogeheten Majorana-deeltje. ‘Dat is een deeltje dat alleen maar verschijnt aan de randen van materiaal’, legt hij uit. ‘Je kunt het vergelijken met de rode gloed aan de horizon als de zon opkomt. Die zie je alleen daar waar de aarde de lucht lijkt te raken.’

Majorana-deeltjes hebben geen lading, geen massa en geen energie. Dat maakt ze bijzonder. Want, als het deeltje geen kenmerkende fysische eigenschappen heeft, hoe kun je het dan waarnemen? ‘Met mijn onderzoek probeer ik daarom ook twee vragen te beantwoorden. Hoe kunnen we Majorana-deeltjes waarnemen? En hoe kunnen Majorana-deeltjes worden gebruikt om een kwantumcomputer te maken?’ Een stevige ambitie, maar Akhmerov weet zeker dat zijn Majorana-deeltjes bestaan. ‘Dat hebben we in modellen al uitgerekend. De vraag nu alleen nog is hoe dat in de praktijk aan te tonen.’

Deeltjes vervallen

Een van de problemen waar wetenschappers die zich bezighouden met onderzoek naar een functionerende kwantumcomputer tegenaan lopen, is het snelle verval van elementaire deeltjes in aangeslagen toestand; nodig voor de kwantumeigenschappen van een kwantumcomputer. ‘Het terugvallen van gewone deeltjes naar hun grondtoestand gebeurt door verstoring van buitenaf. Temperatuur, magnetische velden en deeltjes die rondvliegen verstoren het systeem. Qubits vervallen dan tot gewone bits, en daarmee verdwijnt potentiële rekenkracht.’

Hoe bescherm je dus een kwantumcomputer tegen verstoring van buitenaf? Extreem koelen is een optie, vertelt Akhmerov. ‘Tot rond het absolute nulpunt van -273 graden Celcius.’ Een probleem dat dan ontstaat is dat ook het qubit niet veel activiteit meer vertoont.’

Maar met het gebruiken van het Majorana-deeltje heb je misschien een groter voordeel. ‘Omdat deze deeltjes geen lading, geen massa en geen energie hebben, verstoren ze in die situatie het delicate evenwicht niet,’ aldus Akhmerov. ‘De qubit blijft dan langer bestaan.’ Akhmerov verwacht Majorana-deeltjes pas over een paar jaar te kunnen zien. Daarna zal het nog wel even duren voordat een werkende kwantumcomputer is gebouwd.’

Supergeleiding

Een andere eigenschap die van pas kan komen bij het gebruik van een Majorana-deeltje voor de bouw van een kwantumcomputer is dat het deeltje gelijk is aan zijn antideeltje. Dat betekent dat het originele deeltje verborgen blijft voor metingen, en dus beschermd voor decoherentie zolang het deeltje en het antideeltje niet met elkaar in contact komen. ‘Ik laat zien hoe deze bescherming te gebruiken is om een kwantumcomputer te bouwen. Ik beschrijf ook hoe je deze theorie kunt gebruiken in bestaande qubits in een supergeleidende omgeving,’ legt Akhmerov uit.

En in die wetenschappelijke woestijn blijft voorlopig nog wel vraag naar theoretisch oplossingen. Akhmerov ziet zich dan ook niet gauw uit Leiden vertrekken. Ook niet om een andere reden. ‘Na een keer mailcontact met de faculteit in Leiden, kreeg ik al binnen een paar uur een reactie: een uitnodiging om te komen. Dat zal ik nooit vergeten,’ vertelt hij. ‘En ik heb hier inmiddels een goed leven. Er is maar een nadeel, iedereen spreekt Engels. Zo leer ik natuurlijk niet snel Nederlands, al ben ik er wel op aan het studeren.’