Over cowboys, uitvinders en kwantum verstrengeling

Transcriptie

1 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

2 Omslag: Een artistieke weergave van 2 elektronen opgesloten in een nanostructuur (illustratie Gemma Plum) 2

3 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

4 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

5 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

6 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 Test van de Bell ongelijkheden Verstrengeling bestaat! Teleportatie Kwantum computers Verstrengeling is nuttig!

7 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

8 De eerste kwantum computer H C 13 C C 7 qubit molecule C IBM/Stanford 15 = 3x5 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

9 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

10 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

11 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 / 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

12 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 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

13 H ψ >= E( k) ψ > 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

14 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

15 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 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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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: Calamity_jane.jpeg M. Wilson, Physics Today (jan. 2006, p )