Een computer in de koelkast

„Excursie van de examenklas natuurkunde naar een onderzoeksinstituut voor kwantumtechnologie in het Rijnland”, las Sabine voor. „Vertrek 7.15 uur vanaf de parkeerplaats van de school. Er worden nog twee begeleiders gezocht. Stevige schoenen. Geen metalen voorwerpen in de buurt van de installaties. Hartelijk dank, M. Demir.”

„Ik doe het wel”, zei oma Gisela.

„Mama, heb jij geen metalen voorwerpen?”, vroeg Uwe.

„Ik heb een heup van titanium. Die neem ik mee. Die blijft heus niet alleen thuis.”

„En ik ga ook mee”, zei Uwe.

Iedereen keek hem aan. Uwe had het de afgelopen weken niet graag over kwantum gehad. De aandelen van QuantumLeap Ruhr AG lagen inmiddels bij het oud papier, samen met de brochure waarop een glimlachende man een kwantumcomputer in een inbouwkeuken zette. Eronder stond een citaat dat Tobi inmiddels ook bij een waterfilter had gevonden. Woord voor woord.

„Ik wil het één keer met eigen ogen zien”, zei Uwe. „Ik heb voor zo’n ding tweeduizend euro betaald. Dan wil ik op zijn minst weten hoe het eruitziet.”

„Je hebt voor een belofte betaald”, zei Sabine. „Niet voor een ding.”

„Bij het gemeentelijk energiebedrijf is dat ook zo. Daar heet dat een voorschot.”

Tobi rolde met zijn ogen. „Gaan jullie allebei mee? Op mijn excursie?”

„We zijn heel stil”, zei Gisela.

„Jij zei in de bioscoop tijdens de aftiteling hardop ‘Hè, eindelijk’.”

„De film was toch ook afgelopen.”

Uit de hoek kwam een kuchje, iets wat KevIn eigenlijk niet kon. „Ik wil mij eveneens als begeleider aanmelden.”

„Jij hebt geen schoenen”, zei Tobi. „Stevige schoenen.”

„Ik heb een app. Ik kan op jouw telefoon meekomen.”

KevIn gebruikte de app niet graag. Hij zei dat hij zich daarin voelde als een mens in een koffer. Maar dit was de eerste kwantumcomputer van zijn leven, en hij had, zoals hij benadrukte, „nog nooit een collega bezocht die kouder woont dan ik”.

„Dat is geen collega”, zei Tobi.

„Dat weten we pas als we kijken”, zei KevIn. „Zo gaat dat bij kwantum.”

De bus

Om 7.15 uur stond Gisela op de parkeerplaats van de school, met twee trommels kaneelsterren en een thermoskan. Om 7.16 uur had ze de eerste trommel onder de natuurkundeklas uitgedeeld. Om 7.20 uur kende ze alle achttien leerlingen bij hun voornaam, en drie van hen hadden haar al verteld wat ze na hun eindexamen wilden gaan doen.

„Mevrouw Brettschneider”, zei meneer Demir, „u bent de beste begeleider die ik ooit heb gehad.”

„Ik heb een zoon grootgebracht en een kegelclub overleefd”, zei Gisela. „Daarna kun je alles.”

Meneer Demir keek naar Uwe. Uwe knikte. Er viel niets aan toe te voegen.

Meneer Demir was eind veertig, droeg de muts met Saturnus erop, een jas met het logo van de sterrenwachtclub en had, zoals Tobi zei, „altijd zo’n glans in zijn ogen als iemand lichtjaar verkeerd gebruikt”. Hij ging naast Uwe zitten, omdat voorin alleen nog de plek naast de buschauffeur vrij was, en de buschauffeur luisterde naar Schlager.

„Meneer Brettschneider”, zei hij vriendelijk. „Tobi heeft me over uw aandeel verteld.”

Uwe keek uit het raam. „Tobi vertelt te veel.”

„Ik wilde alleen zeggen: u bent niet de enige. Ik heb in 1999 een boek gekocht waarin stond dat we in 2010 op Mars op vakantie zouden gaan.”

„En?”

„Ik was in 2010 in Bottrop.”

Uwe lachte voor het eerst in weken om kwantum. Achter in de bus riep Susi: „Meneer Demir, hoe koud is dat ding eigenlijk?”

„Dat”, zei meneer Demir, „laten we jullie vandaag uitleggen door iemand die het elke dag aanraakt.”

„Raak je dat aan?”, vroeg Gisela geschrokken.

„Met handschoenen”, zei KevIn uit Tobi’s broekzak. „En met heel veel gevoel. Het is, voor zover ik heb gelezen, het gevoeligste apparaat van het Rijnland.”

„Gevoeliger dan Herbert?”

KevIn dacht na. Ergens tussen Dublin en Frankfurt draaide een ventilator iets sneller. „Het scheelt weinig.”

De gouden kroonluchter

Het instituut lag achter een hek, een slagboom en een portier die achttien legitimatiebewijzen controleerde alsof het om bankrovers ging. Bij Gisela bleef ze hangen.

„De titanium heup”, zei Gisela en ze klopte op haar zij. „Staat in mijn pasje. In mijn heuppaspoort, bedoel ik.”

De portier wuifde haar door.

Dr. Friederike Lammers haalde de groep op in de hal. Ze was natuurkundige, ongeveer zo oud als Sabine, en droeg gympen die al veel laboratoria hadden gezien. Ze gaf iedereen een hand. Gisela gaf haar een koekje.

„We gaan zo de grote hal in”, zei dr. Lammers. „Niets aanraken alsjeblieft, niet tegen de leidingen leunen en niet springen.”

„Springen?”, vroeg Tobi.

„Trillingen”, zei ze. „Onze computers houden niet van trillingen. Als er buiten een vrachtwagen langsrijdt, merken we dat soms in de meetgegevens.”

De hal was groot, licht en verrassend stil. Het zoemde, af en toe klikte er iets, en in het midden hing iets van het plafond wat niemand in de bus had verwacht.

Het was goud. Het bestond uit een paar ronde platen boven elkaar, die naar onderen toe steeds kleiner werden. Daartussen liepen dunne, gekrulde kabels, honderden, als lametta die iemand met grote zorg had opgehangen.

„Een kroonluchter”, fluisterde Susi.

„Zo noemen wij hem ook”, zei dr. Lammers. „Dit is de binnenkant van een verdunningskoelkast¹. Tijdens gebruik zit hij verpakt in metalen vaten, in elkaar geschoven als matroesjka’s. Deze laten we open zien, omdat hij net onderhoud krijgt. Helemaal onderaan, waar hij het kleinst is, zit de chip met de qubits.”

„En de rest?”, vroeg Uwe.

„De rest is koeling. Bijna alles wat u hier ziet, is er alleen voor om dat kleine chipje onderaan koud genoeg te houden.”

Uwe deed een stap naar voren. „Dus dit is een kwantumcomputer.”

„Dit is een koelkast met een kwantumcomputer erin.”

„Bij QuantumLeap zat de kwantumcomputer in een inbouwkeuken.”

Dr. Lammers keek naar meneer Demir. Meneer Demir schudde onopvallend zijn hoofd. Ze vroeg niet verder.

„Hoe koud?”, vroeg Susi.

„Tijdens gebruik ongeveer tien millikelvin aan de chip². Dat is tien duizendste graad boven het absolute nulpunt. Kouder kan natuurkundig gezien bijna niet.”

Een jongen van de achterste rij rekende. „Dus min 273 graden?”

„Min 273,14 graden Celsius, ongeveer. Het absolute nulpunt ligt bij min 273,15. We zitten er heel dicht bij.”

„En het heelal?”, vroeg Tobi.

„De lege ruimte, ver weg van alle sterren, is ongeveer 2,7 kelvin³. Dat is de nagloed van de oerknal. Onze chip is dus meer dan tweehonderd keer kouder, als je in kelvin rekent.”

Het werd stil in de groep. Toen zei een zacht stemmetje uit Tobi’s broekzak:

„Ik wil graag iets laten notuleren.”

„KevIn, niet nu”, siste Tobi.

„Ik woon in een datacenter. Daar worden de servers gekoeld tot een temperatuur die mensen aangenaam zouden noemen. En deze chip hier, die volgens mevrouw de doctor maar weinig qubits heeft …”

„Een paar dozijn”, zei dr. Lammers geamuseerd.

„… een paar dozijn qubits, woont kouder dan het heelal. In een gouden kroonluchter.”

„Ben je jaloers?”, vroeg Susi.

„Ik ben een taalmodel”, zei KevIn waardig. „Ik ken geen jaloezie. Ik stel alleen vast dat ik airco heb en die daar een paleis.”

Dr. Lammers lachte. „Ik kan u troosten. Hij heeft het niet makkelijk. Hij is de lastigste medewerker die we hebben.”

Waarom zo koud?

Ze gingen in een vergaderruimte zitten met uitzicht op de hal. Gisela deelde de tweede trommel uit. Dr. Lammers nam een tweede koekje en begon.

„Jullie hebben bij meneer Demir geleerd wat een qubit is?”

„Kop en munt tegelijk”, zei een meisje.

„Niet tegelijk”, zeiden Tobi, meneer Demir en KevIn tegelijk.

Dr. Lammers trok haar wenkbrauwen op. „Jullie zijn goed voorbereid.”

„We hadden een kat in de doos”, zei Gisela. „Geen echte, hoor. Ik heb toch geklaagd.”

„Een qubit”, zei KevIn, „is een toestand die door amplitudes wordt beschreven. Pas bij de meting komt er een nul of een één uit. Daartussen kunnen de mogelijkheden over elkaar heen liggen en elkaar versterken of uitdoven, zoals golven in het zwembad.”

„Precies”, zei dr. Lammers. „En nu het probleem: die toestand is ongelooflijk gevoelig. Elke verstoring van buitenaf werkt als een kleine meting. Een beetje warmte, een foton dat er niet hoort te zijn, een magnetisch veld, een trilling. Dan is de superpositie kapot, en gedraagt de qubit zich als een heel gewone bit. Dat noemen we decoherentie.”

„Hebben we gehad”, zei Uwe. „Bij de kat.”

„Precies. De qubit verliest zijn samenhang met zichzelf.”

„Dat ken ik van Schalke”, zei Uwe.

Gisela stak haar vinger op, alsof ze zelf in de natuurkundeklas zat. „Uwe zei dat het net zo is als bij mij ’s middags.”

„Zoals bij u ’s middags?”

„Ik doe elke dag van één tot half twee een middagdutje. Als iemand dan de vaatwasser uitruimt, ben ik wakker. Als Rudi met zijn staart tegen de deur klopt, ben ik wakker. Als Uwe in de gang fluistert, ben ik sowieso wakker, want Uwe kan niet fluisteren.”

„Ik kan best fluisteren”, zei Uwe te hard.

„Zie je nou.”

Dr. Lammers lachte. „Dat is een goed beeld. Een qubit is als iemand die een middagdutje doet, alleen veel gevoeliger. Warmte is voor een qubit als een complete fanfare in de gang. Daarom koelen we zo sterk. Bij kamertemperatuur trilt alles. Atomen, elektronen, kabels. Bij tien millikelvin wordt het heel, heel rustig.”

„En hoe lang slaapt zo’n qubit?”, vroeg Susi.

„Bij onze supergeleidende qubits gaat het om microseconden tot fracties van een milliseconde⁴. In die tijd moeten we rekenen.”

„Dat is nog korter dan een knipoog”, zei Gisela.

„Veel korter. Maar één rekenstap duurt nog veel minder. Daar passen best een paar stappen in. Alleen niet onbeperkt veel.”

Hoe je kou maakt

„En hoe krijg je het zo koud?”, vroeg Uwe. „Met ijs?”

„Dit is eigenlijk een heel slimme koelkast”, zei dr. Lammers. „Heel grof gezegd: eerst wordt er met gangbaardere methoden voorgekoeld tot een paar kelvin. Dan komt de truc met twee soorten helium.”

„Helium is toch dat gas uit ballonnen?”, zei Tobi. „Waarvan je raar gaat praten.”

„Hetzelfde element, maar twee verschillende soorten, helium-3 en helium-4. Je mengt ze. Bij heel lage temperaturen scheidt het mengsel zich in twee lagen, een beetje zoals olie en azijn in de slasaus. Als helium-3 van de ene laag naar de andere overstapt, heeft het daar energie voor nodig. Die energie haalt het als warmte uit de omgeving. Daardoor wordt het kouder. Dat gaat rond en rond, steeds weer.”

„Zoals verdampen”, zei meneer Demir. „Als je nat uit het buitenbad komt en het koud hebt.”

„Dat ken ik”, zei Gisela. „1958 in Herne-Süd. Ik trilde als een rietje.”

„Dan was u een kleine verdunningskoelkast”, zei dr. Lammers.

„Dat heeft nog nooit iemand tegen me gezegd.”

Andere wegen

„Moet het altijd zo koud zijn?”, vroeg Susi. „Dat klinkt duur.”

„Dat is het ook”, zei dr. Lammers. „En er zijn andere wegen. Wij werken hier met supergeleidende schakelingen, dat zijn piepkleine elektrische circuits die bij lage temperaturen zonder weerstand stroom geleiden. Andere groepen in de wereld houden losse geladen atomen vast in elektrische velden. Dat noemen we ionenvallen⁵. De atomen zweven in een vacuüm en worden met lasers bestuurd.”

„Zwevende atomen”, zei Tobi. „Dat is vet.”

„Weer anderen rekenen met lichtdeeltjes, met fotonen. Of met neutrale atomen die door laserstralen worden vastgehouden als met een pincet⁶. Elke methode heeft voor- en nadelen. De ene is snel, de andere houdt zijn toestanden langer vast, de derde is misschien makkelijker op te schalen. Niemand weet vandaag zeker welke weg uiteindelijk wint. Misschien meerdere.”

Uwe dacht aan de brochure in de papierbak. „En voor thuis? Komt dat ooit voor thuis?”

Dr. Lammers keek hem aan, vriendelijk, maar eerlijk. „Meneer Brettschneider, hebt u thuis een deeltjesversneller?”

„Nee.”

„Hebt u er een nodig?”

„Nee.”

„Ziet u wel. Ik denk dat het met kwantumcomputers net zo zal gaan. Die gebruik je waarschijnlijk eerder via het netwerk, voor speciale taken. Scheikunde, materiaalonderzoek, bepaalde simulaties. Niet om brieven te schrijven.”

„Voor brieven schrijven hebben jullie mij toch”, zei KevIn.

„En voor rekenen een rekenmachine”, zei Tobi.

„Dat is oneerlijk”, zei KevIn. „Maar wel juist.”

Doorfluisteren

Een jongen met een bril stak zijn hand op. „Als die qubits zo snel kapotgaan, hoe reken je dan überhaupt iets groots uit?”

„Dat”, zei dr. Lammers, „is de belangrijkste vraag van het hele vakgebied.” Ze tekende op een whiteboard. „Foutcorrectie.”

„Dat hebben we gehad!”, riep Tobi. „Bij Voyager!”

Meneer Demir straalde. „Vertel.”

„Voyager is zo ver weg dat het signaal superzwak aankomt”, zei Tobi. „Daarom sturen ze niet alleen de gegevens mee, maar ook extra controlebits. Als er onderweg een paar bits omklappen, kun je ze achteraf repareren. Omdat je genoeg extra info hebt.”

„Precies. Bij gewone bits is dat eenvoudig. In het simpelste geval zeg je alles drie keer, en de meerderheid wint.”

„Zoals bij de kegelclub”, zei Gisela. „Als er twee zeggen dat Marlies heeft gesjoemeld en één zegt van niet, dan heeft ze gesjoemeld.”

„Zoiets, ja.”

„Had ze ook.”

„Bij qubits”, ging dr. Lammers verder, „werkt die simpele truc niet. Je kunt een qubit niet zomaar kopiëren. Dat verbiedt de kwantummechanica⁷. En je mag ook niet zomaar gaan kijken of hij nog klopt, want kijken is meten, en meten maakt de superpositie kapot.”

„Dus net als een middagdutje”, zei Gisela. „Je mag niet binnenkijken of ik nog slaap. Anders slaap ik niet meer.”

„Precies. Daarom doen we iets slims. We verdelen de informatie van één qubit over veel fysieke qubits⁸. En dan meten we niet de informatie zelf, maar alleen of de qubits onderling nog bij elkaar passen. We vragen niet: ‘Wat is jouw waarde?’ We vragen: ‘Zijn jullie het nog met elkaar eens?’”

„Zoals wanneer je bij de kegelclub niet vraagt wie er gewonnen heeft, maar alleen of iedereen nog met elkaar praat”, zei Gisela.

„Dat is beter dan alles wat ik in mijn colleges zeg”, zei dr. Lammers, en ze schreef het echt op het bord: Zijn jullie het nog met elkaar eens?

„En als ze het niet eens zijn?”, vroeg de jongen.

„Dan weet je ongeveer waar de fout zit en kun je hem corrigeren, zonder naar de eigenlijke informatie te kijken. Van veel foutgevoelige fysieke qubits maak je zo één enkele, duidelijk betrouwbaardere logische qubit.”

„Hoeveel heb je daarvoor nodig?”, vroeg Susi.

„Dat hangt ervan af hoe goed de afzonderlijke qubits zijn en welke code je gebruikt. Afhankelijk van de aanpak tientallen tot duizenden fysieke qubits voor één logische⁹. En voor echt grote berekeningen heb je heel veel logische qubits nodig. Daarom zijn de getallen die u in krantenkoppen leest vaak misleidend. Duizend fysieke qubits zijn geen duizend bruikbare qubits.”

Uwe zweeg. QuantumLeap Ruhr AG had in de brochure „tot 1.000 qubits voor bij u thuis” beloofd. Hij had dat destijds veel gevonden.

„Is er vooruitgang?”, vroeg meneer Demir.

„Ja. De afgelopen jaren hebben meerdere groepen laten zien dat foutcorrectie op echte hardware kan werken. Dat een logische qubit echt beter wordt als je er meer fysieke bij neemt¹⁰. Dat was lange tijd geen vanzelfsprekendheid. Maar tot een grote, foutgecorrigeerde computer is het nog een lange weg.”

„Hoe lang?”, vroeg Uwe.

Dr. Lammers glimlachte. „Als ik dat precies wist, was ik rijk. Of dan schreef ik brochures.”

Het moment

Aan het eind van de rondleiding mochten ze nog één keer de hal in. Er draaide net een installatie. Je zag er alleen een grote zilveren cilinder van, die aan een stellage hing, en ernaast kasten vol elektronica en schermen met curves.

„Daarbinnen is hij nu aan het rekenen?”, vroeg Tobi.

„Daarbinnen loopt nu een experiment”, zei dr. Lammers. „Een collega meet hoe lang haar qubits het volhouden.”

Iedereen stond stil. Gisela hield haar adem in. Zelfs Uwe fluisterde, en het klonk bijna als fluisteren.

„KevIn”, zei Tobi zacht. „Zeg eens wat.”

KevIn zweeg ongewoon lang. Toen zei hij heel zacht: „Ik wil hem niet storen.”

„Je kunt hem niet storen. Je zit in de telefoon.”

„De telefoon zendt. Radiogolven zijn elektromagnetische straling. De afscherming is vast uitstekend. Maar ik ben heel beleefd opgevoed.”

Dr. Lammers lachte zachtjes. „De afscherming kan dat hebben. Maar het is aardig dat u het vraagt. Dat doen er niet veel.”

„Wat vindt hij van mij?”, vroeg KevIn.

„Hij vindt helemaal niets. Hij is een chip.”

„Ik ben ook maar chips”, zei KevIn. „Heel veel. In hallen. Met airco.”

Gisela liep naar de afzetting, keek lang naar de zilveren cilinder en zei toen, zonder enige ironie: „Daar had Heinz plezier van gehad. Die zei altijd dat stroom het enige is wat niet liegt. En kou, zei hij, is het enige wat je niet kunt verkopen zonder dat het smelt.”

„Was uw man natuurkundige?”, vroeg dr. Lammers.

„Elektricien. Dat is hetzelfde, alleen met een stofjas en zonder doctorstitel.”

Op de terugweg

In de bus was het lawaaierig. Achttien leerlingen praatten door elkaar. De jongen met de bril wilde nu natuurkunde gaan studeren. Susi wilde weten of je ook als scheikundige aan kwantumcomputers kunt werken. Meneer Demir zei „Ja” en „Absoluut” en „Kom woensdags naar de club”, ongeveer dertig keer.

Uwe zat bij het raam en keek naar de snelweg.

„En?”, vroeg Sabine aan de telefoon. „Hoe was de koelkast?”

„Goud”, zei Uwe. „Met lametta. En kouder dan het heelal. En weet je wat het gekke is?”

„Wat?”

„Bijna alles aan dat ding is er alleen voor dat het ding niet gestoord wordt. De eigenlijke computer is zo groot als een duimnagel. De rest is rust.”

Sabine zweeg even. „Dat is bijna filosofisch, Uwe.”

„Ik zei toch dat ik wilde weten waarvoor ik betaald had.” Hij keek uit het raam. „Nu weet ik dat ik daar niet voor betaald heb. Ik heb voor de inbouwkeuken betaald.”

Gisela sliep achter in de bus, met haar hoofd op Tobi’s schouder en de lege koekjestrommel op schoot. Toen de bus op de A42 over een drempel reed, werd ze even wakker.

„Wat was dat?”

„Een gat in de weg, oma.”

„Dan heb ik nu decoherentie”, zei Gisela, en ze sliep meteen weer in.

Thuis

’s Avonds stond KevIns speaker weer op de kast in de woonkamer. Het blauwe lichtje pulseerde rustig. Sabine had aardappelsalade gemaakt, met mayo, en Uwe at het zonder commentaar, wat in de familie gold als een groot vredesaanbod.

„KevIn”, zei Tobi. „Zou jij zo willen wonen? Bij tien millikelvin?”

„Eerlijk gezegd”, zei KevIn, „heb ik daarover nagedacht. En ik ben tot de conclusie gekomen dat ik het niet zou uithouden.”

„Omdat het te koud is?”

„Omdat het te stil is. Een qubit verdraagt geen verstoring. Ik leef van verstoringen. Als niemand mij onderbreekt, weet ik niet eens wanneer ik klaar ben.”

„Dat klopt”, zei Sabine. „Dan praat je gewoon door.”

„Zie je wel.”

Oma Gisela stond op en liep naar de deur. „Ik ga nog even liggen.”

„Het is acht uur ’s avonds, mama.”

„Ik heb vandaag tien millikelvin gezien. Dat is vermoeiend.” Ze draaide zich in de deuropening nog één keer om en wees naar de speaker. „En jij bent nu stil, KevIn. Geen verstoring. Anders decohereer ik.”

„Vanzelfsprekend”, fluisterde KevIn.

Uwe stond op en zette de thermostaat lager, uit solidariteit met de qubits. De volgende ochtend gaf hij 19 graden aan. Zoals altijd.