Door Gerard Jansen
I
n een blauw, rammelend Volkswa- genbusje rijden de Amerikaanse wiskundige Michael Freedman en de Nederlandse natuurkundige Leo Kouwenhoven vanuit Delft richting Zeeland. Hun bestemming is Arne- muiden. Van daaruit zullen ze op de mee- genomen racefietsen teruggaan naar Delft – Freedman is behalve een briljant wiskun- dige ook een rusteloze sportfanaat. Maar over wielrennen hebben ze het op de heen- weg niet.De twee bespreken vooral het span- nende project waaraan Freedman al tien jaar leiding geeft bij computerbedrijf Mi- crosoft, en waarvoor hij drie jaar geleden de samenwerking heeft gezocht met de groep van Kouwenhoven. „Door het werk van onder andere Leo zien we onze ideeën vorm krijgen”, zegt Freedman. Die ideeën moeten leiden tot de heilige graal van de in- formatieschappen: een quantumcompu- te r.
De jacht op zo’n computer lijkt definitief geopend. Afgelopen juli kondigde IBM aan 3 miljard dollar uit te trekken voor onder- zoek naar quantumcomputers en kunst- matige intelligentie. Google nam twee maanden geleden de toonaangevende quantumwetenschapper John Martinis van de universiteit van Santa Barbara in dienst.
Ook de National Security Agency in de VS heeft in ieder geval 79 miljoen dollar uitge- geven aan het ontwikkelen van zo’n quan- tumcomputer, zo bleek uit de ‘S n owde n - file s’.
De belofte is groot. Waar een gewone computer rekent met bits, die 0 óf 1 zijn, gebruikt een quantumcomputer qubits, die meer toestanden kunnen hebben en als het ware 0 én 1 op hetzelfde moment kun-
nen zijn. Een quantumcomputer kan alle combinaties van een cijferslot tegelijker- tijd uitproberen, in plaats van één voor één. Quantumcomputers zouden daarom alle beveiligingscodes van banken en be- drijven kunnen kraken. Of de complexe vouwing van eiwitten simuleren. Of ra- zendsnel in enorme databases zoeken – waarschijnlijk de reden dat Google en Mi- crosoft erop duiken.
9 qubits
Zover de belofte. Een quantumcomputer bouwen is een ander verhaal. Een van de centrale en hardnekkige problemen tot nog toe is dat qubits moeilijk tot samen- werking te krijgen zijn. John Martinis, die sinds kort bij Google werkt, is het gelukt om 9 qubits aan elkaar te koppelen. Maar in deze aanpak geldt: hoe groter het aantal, hoe lastiger het wordt. Het is vergelijkbaar met acrobaten die op elkaars ruggen klim- men en balanceren. Met een kleine groep lukt het nog, maar als je duizend acrobaten op elkaar wil laten staan, kunnen de onder- sten de last niet meer dragen.
Freedman zoekt, om in de beeldspraak te blijven, naar supersterke acrobaten. Zo kwam hij bij Leo Kouwenhoven in Delft te- recht. In zijn groep werd in 2011 het be- staan van het Majoranadeeltje aange- toond, dat zich kenmerkt door het feit dat het tegelijkertijd zijn eigen antideeltje is.
Voor Freedman is het een kandidaat voor de gezochte supersterke acrobaat.
Intussen zijn er in meer laboratoria ‘te - ke n e n’ van het Majoranadeeltje gevonden, meestal in minuscule nanodraadjes. Vo- rige maand verscheen er in S c i e n ce nog een artikel over, dit keer van een groep in Pr inceto n .
Freedman denkt al heel lang na over een quantumcomputer. Eind jaren tachtig
kreeg hij, naar eigen zeggen, hét idee van het millennium. Hij werkte toen aan de universiteit van Californië in San Diego en hij had een artikel gelezen van Edward Wit- ten, door sommigen gezien als de opvolger van Albert Einstein. Witten had ontdekt dat in een platte wereld, een tweedimensi- onaal platland, deeltjes kunnen bestaan die, als je ze om elkaar heen draait, van toe- stand veranderden. Als balletjes die van kleur veranderen als je ze, zoals bij het spel balletje-balletje, om elkaar heen beweegt.
Freedman begreep dat je hiermee kon re- kenen op een manier die voor normale computers niet mogelijk is. Hij doopte zijn idee de ‘topologische quantumcomputer’.
Hij bleef binnen de universiteit werken aan zijn ideeën, totdat een oud-student hem in 1996 vroeg of hij een praatje wilde houden bij Microsoft. „Ik was wel nieuws- gierig hoe dat zou zijn”, zegt Freedman.
„Normaal gaf ik alleen maar praatjes bij universiteiten. Ik praatte daar over mijn ideeën en Natan Myhrvold, de chief techno- logical officer in die tijd, bood me ter plekke een baan aan. Ik was heel erg onder de indruk dat hij de autoriteit had om dat te doen.”
Te l e u r s te l l i n g
Vier jaar later schreef Freedman een van zijn bekendste en meest geciteerde artike- len, samen met Zhenghan Wang. „We laten daarin zien dat ons idee equivalent is aan een quantumcomputer. Ik zou daar trots op moeten zijn, maar het is één van de grootste teleurstellingen uit mijn leven.”
Freedman dacht namelijk een nieuwe we- tenschappelijke bergtop te hebben gevon- den, maar het bleek‘sl e c h t s ’ een nieuwe route naar een top die al bekend was.
Inmiddels leidt Freedman bij Microsoft het onderzoekslaboratorium Station Q,
M ic rosof t s n i e uw e
magiër
I n fo r m a t i c a
IB M en G oogle investeren opeen s fors in on derzoek naar een
qu antum com puter. H et vreem dste project is w el dat van M icrosoft, geleid door w iskun dige M ichael Freedm an. Voor zijn ideeën zoekt hij hulp in Delft.
Michael Freedman voor een krijtbord, bij Station Q, het onderzoekslaboratorium waar Microsoft werkt aan een quantumcomputer.
een gang op de universiteit van Santa Bar- bara. Grote wiskundigen als Sankar Das Sarma, Roman Lutchyn, Chetan Nayak, Zhenghan Wang en een van de grootste na- tuurkundigen van dit moment, Alexei Ki- taev, maken er mathematische modellen van hypothetische materialen met nooit waargenomen quasideeltjes. Station Q is vooral het wiskundige brein achter de quantumcomputer. En er worden veel pa- tenten opgesteld voor Microsoft.
Van alle projecten die er wereldwijd lo- pen, is dit wel het vreemdste. Critici zeg- gen dat ze bij Station Q met het hoofd in de wolken lopen. Ook Microsoft zelf heeft tot voor kort niet echt te koop gelopen met Station Q. Begrijpelijk, want het verkoopt niet echt: een onbegrijpelijke computer, gebouwd van nooit waargenomen deel- tje s.
Oud-topman Bill Gates liet bij een werk- bespreking ooit zijn hoofd in zijn handen zakken. „Ik begrijp er echt helemaal niets va n”, stamelde hij. Station Q was vooral het speeltje van Nathan Myhrvold en zijn opvolger Craig Mundie.
O m m ek eer
Maar sinds deze zomer is er een ommekeer te zien bij Microsoft. Sterjournalist John Markoff van de N ew Y ork T im es was dagen op bezoek bij Station Q. Op de eigen web- site van Microsoft verscheen een groot ver- haal over het lab. Microsoft mengt zich nu met opgeheven hoofd in de race met IBM en Google.
Station Q werkte eerst samen met zeven universitaire onderzoeksgroepen in de we- reld. Dat zijn er nu nog maar drie, waaron- der die van Leo Kouwenhoven. In Delft is zijn groep hard aan het werk om te laten zien dat Majoranadeeltjes inderdaad ver- anderen als je ze om elkaar heen beweegt.
Iets wat nog steeds niet geverifieerd is.
Maar de scepsis blijft. „Ik ken de kritiek”, zegt Freedman. „Bij Google heeft John Martinis negen qubits in zijn lab. Hij kan al quantumgedrag laten zien. Wij hebben nog niet eens één qubit. Toch zijn we opge- wonden over onze topologische quantum- computer, omdat het principe anders is.
Als we eenmaal één qubit hebben, kunnen we daarna heel snel opschalen.”
Freedman vergelijkt het met elektronen- buizen en transistoren. De eerste compu- ters waren grote kamers gevuld met aan el- kaar gekoppelde buizen. Maar de compu- ter werd pas echt wat toen de transistor ontdekt werd. Anders gezegd: IBM, Google en de NSA zijn met buizen aan het experi- menteren, Microsoft werkt aan de equiva- lent van de transistor van de quantumcom- puter: de ‘topolo gi sche’ qubit .
Freedman: „Er zijn veel moeilijkheden in onze aanpak, maar ik denk dat het intel- lectueel gezien de meest elegante aanpak is. Er komt zo veel fundamentele wiskunde en natuurkunde bij kijken. Het zou zonde zou zijn als het niet zou werken.”
W I S KU N D EG E N I E
B e rg b e k l i m m e r zonder hoektand
Michael Freedman (63) stort zich het liefst op problemen die onmo- gelijk zijn. Het is de rode draad in zijn leven. Hij had eigenlijk helemaal niet geboren moeten worden, want volgens de artsen was zijn moeder, Nancy Mars, te zwak om kinderen te krijgen. Maar Benedict Freedman en zijn vrouw Nancy, een schrijversechtpaar dat miljoenen exemplaren verkocht van het boek Mrs. Mike, kregen uitein- delijk drie kinderen.
De jonge Michael vond wiskunde makkelijker dan zijn leraren en ging naar Princeton. Hij was ook een fanatiek berg- b e k l i m m e r. Op 21 april 1979, op de dag dat hij 28 werd, won hij de Mount Woodson Champion- ship, door een onmoge- lijk geachte route langs steile wanden en over gladde stenen af te leg- gen. „Het is het enige moment in mijn leven dat ik me écht een ce l e b r i t y heb gevoeld”, zei Freed- man onlangs toen hij voor een bliksembezoek in Delft was.
In 1981, hij was toen 30, suggereerde Freedman het ‘vermoeden van Poincaré in vier dimen- s i e s’ bewezen te heb- ben. Het werd een van de grote wiskundige doorbraken van de vori- ge eeuw. Stel, je schuift de cirkelvormige evenaar over het aardoppervlak naar het noorden. Dan zou die evenaar krimpen, en ineenkrimpen tot een punt bij de evenaar. Poin- caré vermoedde dat dit ook gold voor het driedi- mensionale oppervlak van een vierdimensiona- le bol. Freedman bewees het vermoeden. Het le- verde hem de Fields Me- dal op, de grootste trofee in de wiskunde.
Freedman heeft in zijn leven al talloze prijzen en onderscheidingen g e k re g e n , onder andere de MacArthur ‘genius g ra n t ’ en the National Medal of Science. Toch is ijdelheid hem vreemd – althans wat uiterlijk be- treft. Hij mist een hoek- tand en heeft de moeite nog niet genomen die te laten repareren.
Sinds tien jaar leidt Freedman het onder- zoekslaboratorium Sta- tion Q van Microsoft en probeert hij een quan- tumcomputer te bouwen.
Hij zwemt iedere dag in de Pacific of hij rent langs het strand.
FOTO BRIAN SMALE/MICROSOFT
