Over cowboys, uitvinders en kwantum verstrengeling

Over cowboys, uitvinders en
kwantum verstrengeling
Intreerede uitgesproken op
20 maart 2009
door Prof. dr. ir. Lieven M.K. Vandersypen
ter gelegenheid van de aanvaarding van het ambt van
Antoni van Leeuwenhoek hoogleraar
aan de Technische Universiteit Delft
Faculteit Technische Natuurwetenschappen
1
Omslag: Een artistieke weergave van 2 elektronen opgesloten in een
nanostructuur (illustratie Gemma Plum)
2
Mijnheer de Rector Magnificus,
Leden van het College van Bestuur,
Collegae hoogleraren en andere leden van de universitaire gemeenschap,
Zeer gewaardeerde toehoorders,
Dames en heren,
Geïnspireerd door talrijke kinderboeken, wist ik het zeker: ik wilde ofwel
cowboy worden, ofwel uitvinder!
Mijn grote voorbeeld als cowboy was Old Shatterhand, de held uit de verhalen
van Karl May. Hij ging onvervaard het avontuur tegemoet, diep in onbekend
terrein, liefst waar nog nooit iemand geweest was. Met veel vernuft en
vindingrijkheid slaagde hij er steeds in om zijn vijanden te slim af te zijn. Ik
had er mateloze bewondering voor en probeerde het in de tuin of het bos na
te spelen. Bovendien had hij een goede inborst, streed voor het goede en
ontwikkelde een hechte band met Winnetou, opperhoofd van de Apachen.
Het leek me een geweldig bestaan. Alleen, hoe word je cowboy? Wat moet je
daarvoor studeren? Ik had geen idee, en mijn ouders wisten het ook niet…
Dat was wel een probleem, want ik wilde eigenlijk graag verder studeren.
Of dus uitvinder, of ontdekker, zoals Thomas Edison, James Watt, en Marie
Curie. Ook zij gingen als eersten waar niemand eerder was gegaan, op zoek
naar het onbekende, het nieuwe. Ze werden gedreven door nieuwsgierigheid,
door een vraagstelling over de natuur, of door een technologisch probleem
dat ze wilden oplossen. Ze ontdekten radioactiviteit, vonden de grammofoon
uit, en de stoommachine. Het leek me wel ongelooflijk moeilijk om zomaar
“iets” uit te vinden uit het “niets”! Hoe begin je eraan…? Het enige wat ik me
er als tienjarige bij kon voorstellen was een klaslokaal waarin allemaal
3
mannen zaten, en misschien ook wel vrouwen, in witte jassen,
voorovergebogen over hun tafel, de hele dag aan het nadenken, en aan het
wachten, tot ze opeens iets zouden uitvinden.
Ondanks die moeilijkheid wilde ik dolgraag uitvinder worden, en liefst van al
een beroemde uitvinder. Mijn ouders konden me zelfs vertellen wat ik daar
voor moest doen: “Dan moet je voor ingenieur studeren”!
Van mechanica tot kwantum mechanica
En dus ben ik naar Leuven getrokken om ingenieursstudies aan te vatten. Ik
houd van dingen die bewegen, die ronddraaien, enzovoort, en daarom koos ik
voor mechanica, of werktuigbouwkunde. Wat me daarin bijzonder aansprak
was de mechatronica, het grensgebied tussen de mechanica, de elektronica
en de computerwetenschappen, en op dit gebied ben ik ook afgestudeerd. Dit
interdisciplinaire onderzoek heeft intussen geleid tot verbluffende staaltjes
spitstechnologie, zoals robots die viool kunnen spelen. Ik ben nog steeds zeer
onder de indruk en geboeid door dit soort hoogtechnologisch onderzoek.
In de loop van mijn studies werd ik gegrepen door MEMS, ofwel microelectromechanical systems. Het zijn minuscule raderwerkjes, spiegeltjes, en
andere bewegende structuren, gemaakt op een computerchip. Het is eigenlijk
onvoorstelbaar dat we zulke kleine dingen kunnen maken en bestuderen, en
bovendien gebruiken we ze intussen ook echt, bijvoorbeeld in de
versnellingssensoren waarmee gemeten wordt of de airbag van uw auto moet
uitklappen. Om hier meer over te leren, en om meer tijd in het buitenland
door te brengen, trok ik naar Stanford, het hart van Silicon Valley, in
California. Zo was ik alvast een beetje in het Wilde Westen beland!
© Toyota
© Sandia National Lab
© TU Delft / Tremani
Waar ik ook meer over wilde leren op Stanford was de kwantum mechanica.
Dat was toen nog een verplicht vak voor alle ingenieurs in Leuven, van
computerwetenschappen tot civiele techniek, en het heeft me sterk
geïnspireerd. Zoals het woord aangeeft gaat het hier nog steeds om
mechanica: de kwantum mechanica beschrijft de beweging van de
bouwstenen van de materie, zoals atomen en elektronen.
4
Het blijkt dat op dit microscopische niveau deeltjes heel anders bewegen dan
voorwerpen in de wereld om ons heen. Zo kan een elektron of atoom
meerdere paden tegelijk volgen en dan als het ware met zichzelf botsen, of
interfereren. Een atoom of elektron kan ook tegelijk linksom en rechtsom om
zijn as draaien.
Spins en kwantum superposities
Die intrinsieke draaibeweging van elektronen en atomen noemen we in de
kwantum mechanica spin, en de twee mogelijke draairichtingen noemen we
spin-op en spin-neer. We schrijven de toestanden neer in gekke haakjes die
aangeven dat het om een kwantum deeltje gaat. De zogeheten superpositie
toestand waarbij de spin tegelijk op en neer is, schrijven we als een optelling.
Om ons daar een beeld bij te vormen stellen we die toestand voor door een
pijl die in een of andere richting tussen omhoog en omlaag wijst, afhankelijk
van de complexe coëfficiënten die voor elke term staan. Eigenlijk kunnen we
ons een spin goed voorstellen als een scheepskompas dat in een bepaalde
richting wijst. Een spin reageert namelijk op magnetische velden op een
zelfde manier als een kompasnaaldje dat om zijn eigen as draait.
|↑⟩
a|| ↑ ⟩ + b | ↓ ⟩
|↓⟩
Logischerwijze zouden we dan verwachten dat we de toestand van drie spins
kunnen voorstellen als drie kompasnaalden, die elk in een bepaalde richting
wijzen. Het blijkt echter dat de werkelijkheid veel rijker is, dat er in de
kwantum wereld veel meer mogelijkheden zijn. Drie spins kunnen samen acht
mogelijke basistoestanden hebben, op-op-op tot en met neer-neer-neer, en
ook willekeurige superposities van die acht toestanden zijn mogelijk. Daarom
hebben we geen drie, maar acht complexe getallen nodig om de gezamenlijke
toestand van drie spins te beschrijven. Telkens we een spin toevoegen,
verdubbelt het aantal vrijheidsgraden dat we nodig hebben om de toestand
van de spins te beschrijven. We zien dus dat kwantum systemen op een of
andere manier een exponentiële complexiteit in zich dragen.
5
a |↑
↑↑↑⟩ + b |↑
↑↑↓⟩ + c |↑
↑↓↑⟩ + d |↑
↑↓↓⟩ + e |↓
↓↑↑⟩ + f |↓
↓↑↓⟩ + g |↓
↓↓↑⟩ + h |↓
↓↓↓⟩
Kwantum verstrengeling – van debat tot instrument
Een van de meest tot de verbeelding sprekende gevolgen van superposities is
dat twee deeltjes met elkaar verstrengeld kunnen zijn. Een voorbeeld van een
verstrengelde toestand voor twee spins is die waar de twee spins tegelijk in
de toestand op-neer en neer-op zitten. De kwantum theorie voorspelt dat als
we het eerste deeltje meten, de meetuitkomst ofwel ‘op’ zal zijn, ofwel ‘neer’,
volledig willekeurig. Bovendien zegt ze dat zodra we het eerste deeltje meten,
het andere deeltje ogenblikkelijk beïnvloed wordt en belandt in de
tegengestelde toestand. En dit zou het geval moeten zijn, onafhankelijk van
de afstand tussen de deeltjes! Vóór de meting kon het resultaat voor elk van
beide spins echter nog alle kanten op.
Als u hier moeite mee hebt, bent u in goed gezelschap. Zelfs Einstein kon hier
niet mee leven – hij noemde het “spooky action at a distance”. Hij
argumenteerde dat het wel zo moest zijn dat de twee deeltjes eigenlijk vóór
de meting al ofwel op-neer waren, ofwel neer-op, in plaats van op-neer en
neer-op tegelijk. Ook al vertelt de kwantum theorie ons niet in welke toestand
de deeltjes zaten voor de meting, die toestand zelf lag vooraf wel netjes vast,
aldus Einstein. Gedurende tientallen jaren voerde hij een hevige discussie met
Niels Bohr en anderen, over het bestaan van kwantum superposities en
verstrengeling.
+
Spooky action
at a distance?
EPR paradox
1900-1960
Test van de
“Bell ongelijkheden”
Verstrengeling bestaat!
1960-1990
6
Teleportatie
Kwantum computers
Verstrengeling is nuttig!
1990- . . .
In 1960 kreeg veranderde deze discussie van een grotendeels filosofisch
debat in een heel concrete experimentele vraag. In dat jaar stelde John Bell
een slim experiment voor dat kon vaststellen of de toestand van kwantum
deeltjes vóór de meting al dan niet onbepaald kan zijn, zodat de
meetuitkomst op geen enkele manier vooraf vast ligt. Deze tests zijn voor het
eerst op een overtuigende manier uitgevoerd in het begin van de jaren ’80
van de 20ste eeuw, door Alain Aspect en zijn medewerkers in Parijs. Intussen
zijn deze test steeds zorgvuldiger herhaald. Al blijft het moeilijk om te geloven
en te bevatten, elke keer weer gaven de metingen aan dat superposities wel
degelijk bestaan en dat deeltjes dus in meerdere toestanden en posities
tegelijk kunnen bestaan.
Sinds de jaren ‘90 zijn deze discussies grotendeels geluwd, en zijn we
erachter gekomen dat we verstrengeling zouden kunnen gebruiken om heel
nieuwe dingen te doen, zoals kwantum toestanden teleporteren, of op een
heel andere manier rekenen dan in conventionele computers. Op het eerste
gezicht lijkt het heel onhandig om te rekenen met bits die in meerdere
toestanden tegelijk zijn, en waarbij je random uitkomsten kan krijgen bij een
meting. Maar Peter Shor en anderen hebben algoritmes bedacht die precies
van deze eigenschappen gebruik maken om razendsnel relevante
berekeningen uit te voeren. Een bekend voorbeeld hiervan is het heel snel
vinden van de delers van grote getallen.
Het feit dat je op een andere manier zou kunnen rekenen door gebruik te
maken van kwantum mechanica is een mogelijkheid die mij bijzonder
intrigeert en motiveert. Ik hoorde er zelf voor het eerst over in 1997, toen ik
kennis maakte met Ike Chuang, bij wie ik korte tijd later ben gaan werken, en
ik herinner me dat ik letterlijk niet kon slapen van opwinding. Sindsdien heb ik
getracht om kwantum berekeningen in de praktijk uit te voeren en te laten
zien.
Een vloeibare computer
De eerste kwantum computer waar ik als Ph.D. student op Stanford aan
meewerkte was een chloroform molecule. De spin van de koolstof en
waterstof atomen in deze molecule deden dienst als kwantum bits. Met deze
molecule hebben we een eenvoudig demonstratie experiment gedaan. In
realiteit werkten we niet met één enkele molecule, maar met een heel groot
aantal moleculen, opgelost in een vloeistof, om een voldoende sterk signaal te
krijgen. Dit was dus eigenlijk een vloeibare computer. De techniek waarmee
we de spins manipuleerden heet magnetische resonantie, en wordt ook
gebruikt in het hospitaal in MRI scans (MRI staat voor magnetic resonance
imaging).
Graag wil ik nu voor u de spin dans opvoeren, omdat die een tipje van de
sluier oplicht en een gevoel geeft hoe kwantum berekeningen in de praktijk in
hun werk gaan. Elk van mijn armen stelt één spin voor. Als resultaat van de
7
De eerste
“kwantum
computer”
200
1
H
13
C
C
C
C
7 qubit molecule
© IBM/Stanford
15 = 3x5
55 5
spin dans zal de ene spin (mijn linker arm) al dan niet geflipt worden
afhankelijk van of de andere spin (mijn rechter arm) op of neer was. Ik
gebruik daarbij het feit dat spins onder invloed van een magneetveld een
draaibeweging uitvoeren met als rotatie-as de richting van dit veld.
Mijn linkerarm wijst aanvankelijk omhoog. Als eerste stap zet ik kort een
magneetveld aan, waardoor de eerste spin een kwartslag draait, en mijn
linkerarm dus voor me uit wijst. Door het strooimagneetveld van de tweede
spin zal de eerste spin in het horizontale vlak linksom óf rechtsom gaan
draaien. Na verloop van tijd wijst mijn linkerarm dus naar links of naar rechts,
naargelang mijn rechterarm omhoog of omlaag wijst. Dan draai ik de eerste
spin opnieuw een kwartslag door kort een magneetveld aan te bieden. Mijn
linker arm draait daardoor terug tot hij opnieuw omhoog wijst (als de rechter
arm omhoog wijst), of draait door tot hij omlaag wijst (als de rechterarm
omlaag wijst).
Binnen vier jaar zijn we erin geslaagd om met deze aanpak op te schalen van
twee kwantum bits in chloroform naar een molecule met zeven kwantum bits.
Met die molecule heb ik door middel van een ingewikkelde spin dans het
kwantum algoritme van Shor uitgevoerd, en daarmee de delers van het getal
15 gevonden. Dit was de kroon op vier jaar hard werken aan mijn promotie
onderzoek!
Ik vind dit wel een mooi beeld, vanwege de dubbele boodschap die erin
vervat zit. Enerzijds zijn er wel degelijk kwantum berekeningen uitgevoerd,
8
waarbij superposities werden gebruikt om meerdere bewerkingen tegelijk uit
te voeren. Het is dus niet zomaar sciencefiction. Anderzijds hadden we geen
kwantum computer nodig, en ook geen 4 jaar werk, om de delers van 15 te
vinden, 3 en 5. We zitten dus nog duidelijk in het stadium van de science, de
zuivere wetenschap, waarbij we aftasten wat al dan niet mogelijk is, en zijn
nog erg ver verwijderd van het stadium van een commerciële technologie.
Jammer genoeg weten we niet hoe we kunnen opschalen naar moleculen met
duizenden spins, die we nog eens allemaal in de greep moeten houden.
Daarom wordt er wereldwijd gewerkt aan een hele waaier aan mogelijke
realisaties van kwantum bits, van individuele ionen in ionenvallen tot
supergeleidende schakelingen.
Nano-doosjes voor elektronen
Zelf heb ik gekozen om te blijven werken met spins, maar dan met de spin
van elektronen die gevangen zijn in zogeheten kunstmatige atomen en
moleculen, in plaats van met kernspins in echte moleculen. Die kunstmatige
atomen of kwantum doosjes (`quantum dots’ in het Engels) zijn
halfgeleiderstructuren met nanometer afmetingen waarin individuele
elektronen gevangen zijn in een gebied dat klein genoeg is zodat kwantum
effecten het gedrag bepalen. Daarmee proberen we nu de bouwstenen voor
een kwantum computer voor elkaar te krijgen, met de verwachting dat we
later makkelijker kunnen opschalen.
500 nm
De figuur toont u een schematisch plaatje van een dergelijke structuur. Hij
bestaat uit een dun laagje AlGaAs bovenop een GaAs substraat. Het verschil
in de bandkloof van deze twee halfgeleidermaterialen zorgt ervoor dat alle
vrije elektronen (vrijgemaakt door Silicium donor atomen in de AlGaAs laag)
enkel kunnen bewegen in het tussenvlak van de twee lagen (het blauwe vlak
in de figuur). Door negatieve spanningen aan te bieden aan metalen
elektrodes bovenop het oppervlak, kunnen we lokaal elektronen in het blauwe
vlak wegduwen, waardoor gebieden ontstaan zonder elektronen (oranje). Met
behulp van een geschikt patroon en de juiste spanningen op de elektrodes, is
het mogelijk om een klein (blauw) eilandje te vormen waarin elektronen zijn
gevangen. Dit eilandje is minder dan 100 nm in doormeter, klein genoeg
9
zodat de energie van de elektronen gekwantiseerd wordt, en ze enkel in
discrete banen of orbitalen kunnen zitten, net zoals voor elektronen die
gebonden zitten aan een atoomkern.
We bestuderen de eigenschappen van deze kwantum doosjes door stroom te
laten lopen tussen twee contacten, waarbij de elektronen door één barrière
op het eiland springen (tunnelen), en dan door een andere barrière er weer af
springen. De grootte van deze stroom als functie van de spanning over de
contacten en de spanningen op de elektrodes geeft informatie over de
relevante eigenschappen van de dots. Met behulp van de spanningen op de
elektrodes kunnen we die eigenschappen ook zelf instellen, bijvoorbeeld het
aantal elektronen in elke dot, de koppeling tussen de elektronen in
aangrenzende dots, en de koppeling tussen de dots en de buitenwereld. Het
is daardoor een bijzonder flexibele en krachtige aanpak.
Electron spin qubits in kwantum dots
In 2001 ben ik aan dit soort structuren beginnen werken als postdoc in de
groep van Leo Kouwenhoven, een pionier in het maken en meten van
kwantum dots. Intussen hebben we in Delft, Harvard, Tokyo en andere
plekken alle bouwstenen voor een kwantum computer gerealiseerd in dit
systeem:
1) Het is nu routine om één enkel elektron op te sluiten in een kwantum
doosje, en een tweede elektron in het doosje ernaast.
2) We kunnen de spin van één elektron uitlezen, dat wil zeggen het
onderscheid maken tussen spin-op en spin-neer.
3) We hebben vastgesteld dat het best lang duurt, tot 1 seconde, voordat de
spin van 1 elektron vervalt van spin-neer naar spin-op. We hebben ook in
kaart gebracht welk vervalmechanisme het belangrijkste is: de spin-flip
energie wordt via spin-baan wisselwerking overgedragen aan het fonon bad.
4) De groep van Charles Marcus op de Harvard Universiteit is erin geslaagd
om twee naburige elektronen voor een korte tijd bij elkaar te brengen,
waardoor hun spin toestanden uitgewisseld worden op een coherente manier.
5) In Delft zijn we erin geslaagd de spin van één elektron op een
gecontroleerde manier rond te draaien. Dat deden we eerst met magnetische
resonantie, net als toen bij die moleculen, en later met elektrische-dipool
resonantie.
6) Tenslotte hebben we gemeten hoe lang het duurt voordat een
superpositietoestand van spin-op en spin-neer verstoord wordt en de spin in
een willekeurige richting gaat wijzen. Dat duurt in het beste geval zowat een
microseconde. Dit proces wordt voornamelijk veroorzaakt door interacties van
de qubit spins met de spins van de atoomkernen in het kwantum dot
materiaal (GaAs). Net als in de spin dans beïnvloeden die interacties de
toestand van de qubit, alleen gebeurt dat nu op een ongecontroleerde manier
doordat de spins van de atoomkernen in willekeurige toestanden zitten.
10
VL (V)
-
-
0,
0
V PR
(V) 2000
Ciorga et al, PRB
Sprinzak et al., PRL 2002
t
t
0,
0,
1,
1,
2,
1,
2,
2,
/
T1~ 100µs-1s
/
1
q
P(ES)
q
0
0
Elzerman et al., Nature 2004
Hanson et al., PRL 2005
/
4
8 2
waiting time /
Fujisawa et al, Nature 2002
Meunier, PRL 2007
Amasha, PRL 2008
T2~ 0.5 -1µs
(echo
)
Petta et al., Science 2005
B(t) Koppens ea, Nature 2006
E(t) Nowack ea, Science 2007
Petta et al., Science 2005
Koppens et al., PRL 2008
Op weg naar kwantum verstrengeling
Dankzij deze reeks experimenten zijn we nu op het punt gekomen dat het
mogelijk wordt om elektron spins op een gecontroleerde manier met elkaar te
verstrengelen. Om verstrengeling tot stand te brengen laten we de spins een
dansje uitvoeren zoals ik dat eerder heb opgevoerd, met één verschil. De spin
die bepaalt of de andere spin al dan niet geflipt wordt, laten we nu vertrekken
vanuit een superpositie van spin-op en spin-neer. Het resultaat van de spin
dans is dan een superpositie van op-op en neer-neer, wat een verstrengelde
toestand is.
(| ↑ ⟩ + | ↓ ⟩)A | ↑ ⟩B
spin
dans
| ↑ ⟩A | ↑ ⟩B + | ↓ ⟩A | ↓ ⟩B
verstrengeld
Dit willen we experimenteel laten zien, en erop voortbouwen door de
verstrengeling te gebruiken in leuke demonstratie experimenten. Zo denken
we na over hoe we eenvoudige kwantum algoritmes kunnen uitvoeren, of hoe
we een spin toestand van één kwantum dot kunnen teleporteren naar een
andere kwantum dot. Daarbij wordt de toestand van een elektron spin
11
overgeplaatst zonder het elektron zelf over te brengen, door gebruik te
maken van verstrengeling.
De grote uitdaging daarbij is de korte vervaltijd van de spin toestanden. Om
echt verder te kunnen moet de vervaltijd minstens 10.000 keer langer zijn
dan de tijd die nodig is om een spin rond te draaien, of twee spins met elkaar
te verstrengelen.
We hebben daarom creatieve ideeën ontwikkeld om die vervaltijden een stuk
langer te maken, misschien wel lang genoeg. We zijn intussen hard aan de
slag om die ideeën te realiseren. Tegelijk denken we na over het bouwen van
kwantum dots in materialen waar de vervaltijden vanzelf een stuk langer zijn,
doordat er geen kernspins aanwezig zijn. Een eerste mogelijkheid is om
silicium-28 te gebruiken, en we hopen binnenkort metingen te starten aan
silicium kwantum dots. Een tweede mogelijkheid is koolstof.
Grafeen – van plakband tot relativiteit
Mijn collega’s Leo Kouwenhoven en Ronald Hanson werken aan spin qubits in
koolstof nanobuisjes respectievelijk diamant. Ikzelf werk aan nog een andere
vorm van koolstof, grafeen.
Grafeen is grafiet wat we kennen uit potlood, maar dan 1 atoomlaag dik. Al in
de jaren ‘40 van de 20ste eeuw hadden wetenschappers zich gerealiseerd dat
grafeen heel bijzondere eigenschappen zou hebben. Zo zouden elektronen
door het materiaal bewegen met een constante snelheid, net als licht, en
daardoor zouden we sommige relativistische effecten kunnen bestuderen op
een chip.
Alleen, zestig jaar lang dacht men dat dit materiaal niet stabiel was, en dus
niet kon bestaan. In 2004 toonde de groep van Andre Geim van de
Universiteit van Manchester aan dat grafeen wel degelijk bestaat. Ze
bedachten bovendien een kinderlijk eenvoudige manier om het te maken. Ze
drukten een korrel grafiet op een stukje gewone plakband, vouwden de
plakband enkele keren dubbel op zichzelf zodat het grafiet werd verspreid
over de plakband, en drukten vervolgens een chip op de plakband. Het bleek
dat er kleine grafeen vlokken bleven hangen aan de chip, en dat sommige
vlokken slechts één atoomlaag dik waren, grafeen dus. Een tweede verrassing
was dat die ene laag koolstof onder een gewone optische microscoop
zichtbaar was, en herkend kon worden. Deze procedure wordt intussen
gebruikt in tientallen laboratoria.
In de cleanroom maken we dan elektrische contacten met het grafeen, etsen
we patronen in het materiaal, en brengen we elektrostatische gates aan, om
de elektronische eigenschappen te bestuderen en te manipuleren.
12
H |ψ >= E (k ) |ψ >
300 nm
300
nm
Op diverse plekken binnen en buiten Nederland wordt nu onderzocht of
grafeen kan dienen als de basis voor nieuwe, snellere transistors, voor
gevoelige sensoren enzovoort. Zelf hebben we intussen al grafeen kwantum
dots gebouwd, al zijn die nog niet erg schoon en gecontroleerd. Misschien
maken we ooit wel spin qubits in grafeen.
Sowieso is grafeen een bijzonder leuk materiaal om mee te werken, omdat
alles nog nieuw en onontgonnen is. De analogie met de cowboy is hier
trouwens wel heel erg op zijn plaats, want er bestaat wereldwijd een ware
goldrush om dit bijzondere materiaal op alle mogelijke manieren te
bestuderen en te gebruiken.
De natuur uitrekenen door kwantum simulaties
Een toepassing van kwantum computers die me bijzonder motiveert is
kwantum simulatie, zoals in de oorspronkelijke visie van Richard Feynman, de
bekende natuurkundige. Het idee is dat een kwantum computer vlot zou
kunnen uitrekenen hoe een kwantum systeem uit de natuur of uit de
technologie zich gedraagt, iets wat buiten het bereik ligt van conventionele
computers, zelfs de krachtigste supercomputers. Een mooi voorbeeld van een
fenomeen dat we niet goed kunnen uitrekenen is dat sommige materialen al
bij relatief hoge temperatuur hun elektrische weerstand verliezen. Zelfs over
het fase diagram van deze materialen bestaat nog veel discussie. Daarom is
het twintig jaar na hun ontdekking nog steeds onduidelijk waarom deze
zogeheten “high-Tc” supergeleiders supergeleidend zijn. Met een kwantum
computer zouden we dit gedrag kunnen nabootsen, en daardoor allicht
eindelijk begrijpen.
13
© U Mainz
© TU Delft
Een voor de hand liggende vraag is waarom het helpt om dit gedrag met veel
moeite na te bootsen. Waarom kijken we niet gewoon naar de natuur zelf?
Het antwoord is dat een kwantum simulator knoppen heeft waaraan we
kunnen draaien om zo de supergeleiding op te wekken of te zien verdwijnen.
Bovendien kunnen we ook in de binnenkant van een zelfgebouwde simulator
kijken en zo de toestand van individuele deeltjes bestuderen. Veel meer dan
in natuurlijke systemen verwerven we daardoor gedetailleerd inzicht in wat er
aan de hand is.
We hoeven daarvoor zelfs geen volledige kwantum computer te bouwen, met
alle toeters en bellen. We kunnen al heel veel nuttige informatie halen uit
experimenten met meer beperkte mogelijkheden. Zo zijn reeds demonstratie
experimenten gedaan zoals het opwekken en observeren van interessante
fase overgangen. De groep van Hans Mooij uit Delft gebruikte hiervoor
roosters van zogeheten Josephson juncties, en elders zijn atomen in optische
roosters gebruikt. Ook arrays van kwantum dots zouden daarvoor kunnen
dienen. Het is mijn verwachting dat deze metingen slechts het begin zijn van
een rijke waaier aan experimenten in de komende jaren, waaruit we veel
zullen kunnen leren, zoals misschien wel het vraagstuk van high-Tc oplossen.
De droom van de kwantum ingenieur
Ik voel me dus een beetje een kwantum ingenieur, die zich niet alleen
verwondert over de kwantum wereld, maar ook de drang in zich heeft om
kwantum systemen in de greep te krijgen, te kunnen aansturen en
14
manipuleren, en er nuttige dingen mee te doen. Nu gebruiken we ook
vandaag in de technologie al volop kwantum effecten zoals tunnelen, de
kwantisatie van energie, en het bestaan van spins.
Maar zou het niet mooi zijn als we in de toekomst gebruik gaan maken van
die meest ondoorgrondelijke en fascinerende eigenschap van de kwantum
mechanica, die kwantum verstrengeling is?
Nu al weten we dat het op papier mogelijk moet zijn om met behulp van
verstrengeling op een heel nieuwe manier te rekenen aan wiskundige en
fysische problemen. Verstrengeling is al gebruikt om een elektronische
transactie van 3.000 Euro te versleutelen op een manier die fundamenteel
onkraakbaar is, in dit geval weliswaar slechts over een afstand van 1,5 km.
Eenvoudige kwantum cryptografie systemen zijn zelfs al commercieel
verkrijgbaar. Er zijn ideeën over hoe verstrengeling gebruikt kan worden voor
meer nauwkeurige metrologie, en daardoor bijvoorbeeld meer nauwkeurige
positiebepaling via GPS systemen. Het is in theorie ook mogelijk om
verstrengeling aan te wenden voor imaging en sensing met een resolutie die
vele malen kleiner is dan de golflengte van het licht dat gebruikt wordt.
Maar misschien wel de belangrijkste categorie van toepassingen is die
waarvan we nu nog geen idee hebben. Ook in mijn eigen onderzoek en dat
van naaste collega’s heb ik vaak genoeg gezien hoe de leukste dingen vaak
uit een totaal onverwachte hoek komen, en in de technologie is het niet
anders.
Het klinkt allemaal prachtig maar eenvoudig is het niet. Kwantum
verstrengeling is zoals gezegd erg fragiel, en er heerst best veel scepsis of we
er ooit in gaan slagen om verstrengelde toestanden lang genoeg in leven te
houden om er iets nuttigs mee te doen. Het vraagt dus wel een beetje de
roekeloze mentaliteit van de cowboy om er gewoon voor te gaan, en te kijken
wat er gebeurt. Toch is er zover we weten geen enkel fundamentele reden
waarom we er geen gebruik van zouden kunnen maken, ofwel in de korte tijd
dat de verstrengeling behouden blijft, ofwel door de effecten van
vervalprocessen ongedaan te maken. Het is mijn ambitie om eraan bij te
dragen dat deze kwantum technologie er echt komt, zodat ik me op een dag
een echte kwantum uitvinder mag noemen. Als het zover komt zal ik mijn
baret inruilen voor deze pet, met een “spins inside” logo.
15
Inspiratie, wortels en stokken in het onderwijs
Een soortgelijke inspiratie probeer ik over te dragen aan de studenten die ik
begeleid en aan wie ik college geef, door te prikkelen, uit te dagen en te
boeien. Misschien nog meer dan de zaken helder uitleggen, zie ik inspireren
als de belangrijkste taak en uitdaging voor mij als individuele docent.
Voor het onderwijs aan de faculteit en TU Delft in zijn geheel zie ik nog een
veel grotere uitdaging. Slechts 5% van de studenten die hun diploma halen,
rondt de vijfjarige opleiding ook in vijf jaar af. De gemiddelde student aan
onze universiteit doet er ongeveer 7 jaar over. De helft doet er meer dan 7
jaar over. Die lange studieduur lijkt mij erg zonde van de tijd zowel van de
studenten als van iedereen die betrokken is bij de opleiding.
Natuurlijk is het zo dat studenten zich ook buiten het curriculum inzetten voor
allerlei waardevolle activiteiten, wat ik voluit steun, maar voor zover ik het
kan overzien gebeurt dit niet in grotere mate dan bijvoorbeeld in Leuven of
Stanford. Ik vermoed dat onze studenten eenvoudigweg relatief weinig tijd
besteden aan studeren. Verrassend genoeg is dit wat veel studenten mij zelf
ook bevestigen.
Hoeft het zo te zijn? Zou je als student niet graag kunnen zeggen dat je
binnen de vijf jaar bent afgestudeerd, dat je dat toch maar even gepresteerd
hebt? Kunnen we zover komen?
16
Ik denk het wel. Ik ben er zelfs van overtuigd, want ik ken geen enkele plek
in het buitenland waar een dergelijke studievertraging bestaat. Zowel op TU
niveau als binnen de faculteit zijn reeds inspanningen ingezet om dat doel te
bereiken. Zowel de wortel als de stok worden daarbij gehanteerd, van het
bindend studie advies en de harde knip, over het belonen van studenten die
op tijd afstuderen, tot het afsluiten van een ‘contract’ met te behalen
studiepunten. Omdat het uiteindelijk om een mentaliteitswijziging gaat, denk
ik dat het allerbelangrijkste is dat we als docenten en universiteit op alle
mogelijke manieren uitstralen dat we eigenlijk niets anders verwachten dan
dat de grote meerderheid in 5 jaar zijn of haar masters diploma haalt.
Met azijn van je geen vliegen
De TU als geheel heeft in elk geval ook steile ambities. Zo wil zij
internationaal aanzien worden binnen de top-5 van de technische
universiteiten in Europa. Dit waarmaken hangt in grote mate samen met het
aantrekken en behouden van top wetenschappers, ingenieurs en ontwerpers.
Van mijn vader heb ik geleerd dat je met azijn geen vliegen vangt. Dat is
logisch, want vliegen lusten geen azijn, die lusten stroop. Waar jonge,
ambitieuze wetenschappers op af komen is in elk geval een stimulerende
wetenschappelijke omgeving met top collega’s. Maar er zijn nog andere
elementen die ook een belangrijke rol spelen. Hier kunnen de TU en haar
hoogleraren bewuste keuzes maken die op korte termijn een verschil zouden
maken door die jonge wetenschappers stroop aan te bieden in plaats van
azijn, meer dan nu op vele plekken het geval is. In het bijzonder denk ik aan
• ruimte om een eigen, zichtbare onderzoekslijn op te zetten, niet als
onderdeel van, maar naast de onderzoekslijn van de hoogleraren in zijn of
haar omgeving.
• de formele verantwoordelijkheid als promotor voor wie zelfstandig een
onderzoekslijn uitzet, fondsen werft, aio’s aantrekt en begeleidt tot een
17
succesvol proefschrift. Hier zijn wettelijke beperkingen aan verbonden,
maar die kunnen omzeild worden als we dat maar echt willen.
• een heldere toezegging dat wie het waarmaakt en aan de eisen voldoet,
vanuit een tenure-track positie kan doorgroeien niet alleen tot een vaste
aanstelling, maar ook tot een hoogleraarschap. Het Antoni van
Leeuwenhoek hoogleraarschap biedt hiertoe een prachtig instrument.
Ik wil beklemtonen dat ik daarbij de bestaande sectie structuur absoluut zou
willen behouden, omdat zij een bredere sociale en intellectuele omgeving
biedt, dan wanneer elke wetenschapper op zijn of haar eigen eilandje zou
leven. Bovendien laten secties toe om op een efficiënte manier ondersteuning
en financiering van het onderzoek te organiseren.
Als we erin slagen om meer en meer excellente wetenschappers aan te
trekken, is de consequentie van wat ik net heb gezegd dat we, anders dan nu,
in de toekomst meer hoogleraars dan U(H)D’s zullen hebben. Dat lijkt me
hoegenaamd geen probleem, zolang de kwaliteitseisen gehandhaafd blijven.
Het zou bij uitstek een teken zijn van succes.
Dankwoord
Dat ik hier vandaag zelf als Antoni van Leeuwenhoek hoogleraar mijn
intreerede mag houden, heb ik in belangrijke mate te danken aan een groot
aantal mensen, van wie ik er hier enkele in het bijzonder wil bedanken.
Graag wil ik de decaan van de faculteit Technische Natuurwetenschappen, de
voorzitter van de afdeling Nanoscience, en het College van Bestuur danken
voor hun steun en vertrouwen in mij, die zij uitspraken door mij voor te
dragen en te benoemen als hoogleraar.
Ike Chuang, mijn Ph.D. advisor, wil ik bedanken omdat hij mij geleerd heeft
om ambitieus te denken, en niet te zeggen “dit gaat niet werken”, maar wel
“wat is er nodig om dit te doen werken?”. Hij schept in zijn lab
omstandigheden waarin mensen bijzondere dingen kunnen doen, en
stimuleert zijn mensen om dit waar te maken, een rol die ik als groepsleider
zelf probeer op me te nemen.
18
Leo Kouwenhoven was mijn postdoc advisor en later een naaste collega. Ik
ben hem zeer dankbaar voor de stroop die hij me heeft geboden door een
uiterst succesvolle onderzoekslijn aan me over te dragen, zodat ik zelf mijn
eigen groepje kon leiden, zichtbaarheid kon krijgen, en van daaruit mijn eigen
onderzoekslijn kon uitzetten. Ook wil ik Leo bedanken voor de manier waarop
hij mijn leermeester en mentor was en is. Zijn buitengewone creativiteit in het
onderzoek vormt daarbij een sterke inspiratie.
Eigenlijk wil ik al de leden van de Quantum Transport sectie heel erg
bedanken, de aio’s, postdocs en afstudeerders, in het bijzonder die waar ik
zelf mee heb samengewerkt, want alle mooie resultaten van de voorbije jaren
hebben we samen behaald. Mijn dank gaat ook uit naar de hele
wetenschappelijke staf van QT, die steeds weer hoge wetenschappelijke
ambities hand in hand laten gaan met een stimulerende en leuke sfeer, en de
technische en administratieve ondersteuners, die ons echt helpen onze
wetenschappelijke dromen te realiseren.
Meer in het algemeen ben ik bijzonder dankbaar dat ik mag deelnemen aan
de traditie van mesoscopische fysica die in het midden van de jaren ‘80 in
Delft was opgestart door Hans Mooij en Kees Harmans, en die sindsdien heel
succesvol is uitgebouwd. Zij heeft zich ook in de breedte ontwikkeld, tot en
met een nieuwe afdeling Bionanoscience.
Mijn onderzoek is de voorbije jaren gefinancierd door NWO en FOM. Ik ben
hen zeer dankbaar voor hun genereuze steun en voor de efficiënte manier
waarop zij opereren. In het bijzonder de persoonsgebonden subsidies met
kwaliteit als enige criterium zijn een troef die Nederland zeer aantrekkelijk
19
maakt. Sinds kort ontvang ik ook steun van de ERC, waar ik zeer dankbaar
voor ben.
Ik wil graag mijn ouders bedanken voor de manier waarop zij hun kinderen
gestimuleerd hebben om op heel verscheiden manieren een actieve rol te
spelen in de maatschappij, en te proberen om een kleine bijdrage te leveren
aan een gelukkige samenleving.
Ik ben ook heel dankbaar voor alle vriendschap en steun van mijn familie en
vrienden, velen zijn vandaag uit België overgekomen, en mijn nieuwe
vrienden in Nederland.
Tenslotte, Annemieke, dank voor wie je bent, en ik hoop dat we samen vele
mooie jaren tegemoet gaan.
Op deze persoonlijke noot wil ik dit persoonlijk verhaal afsluiten, waarin ik u
heb verteld over kwantum verstrengeling, voor mij een van de meest
aansprekende concepten uit de wetenschap, en de mogelijke toepassingen
ervan. Ik voel me daarbij geïnspireerd door de mentaliteit van de cowboy, die
het leven als een groot avontuur ziet, en de mentaliteit van de uitvinder, die
zich vragen stelt over de natuur, en van daaruit probeert oplossingen te
bedenken.
Ik dank u allen,
Ik heb gezegd.
Verantwoording figuren:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f1/Calamity_jane.jpeg/240pxCalamity_jane.jpeg
http://inventors.about.com/
http://www.geekalerts.com/toyota-unveils-two-new-robots/
http://mems.sandia.gov/gallery/images_gears_and_transmissions.html
http://domino.research.ibm.com/comm/pr.nsf/pages/news.20011219_quantum.html
http://www.ns.tudelft.nl/qt
M. Wilson, Physics Today (jan. 2006, p. 21-23).
http://www.fhi-berlin.mpg.de/~hermann/Balsac/BalsacPictures/YBaCuO.gif
http://www.phy.cam.ac.uk/research/qm/hightc.php
http://www.quantum.physik.uni-mainz.de/bec/gallery/index.html
http://www.cira.colostate.edu/cira/ramm//hillger/GPS.htm
http://home.versatel.nl/mijnkindheeftnld/onderwijs1.htm
http://www.dbnl.org/tekst/laan010avon01_01/laan010avon01ill39.gif
20