Kwantumcomputer bootst waterstofmolecuul na

Onderzoekers van de universiteiten van Harvard en Queensland hebben met succes een kwantumcomputer gebouwd die natuurlijke processen kan nabootsen. De kwantumcomputer heeft een waterstofmolecuul nagebootst. Het is de eerste computer die het gedrag van een moleculair kwantumsysteem kan berekenen en nabootsen.

Molecuul

Eerst iets over de kwantumtheorie. Het allerkleinste deeltje van een stof, bijvoorbeeld water, heet een molecuull. Een molecuul heeft nog steeds dezelfde eigenschappen van die stof, in dit geval water. Ga je een molecuul opsplitsen dan verliest het die eigenschappen.

Deeltjes

Een watermolecuul bestaat uit drie deeltjes. Twee deeltjes zijn precies hetzelfde en heten waterstofdeeltjes. Eén deeltje is wat groter en is een zuurstofdeeltje. Water bestaat dus uit twee verschillende stoffen: waterstof en zuurstof. We noemen water een verbinding van waterstof en zuurstof.

Elementen

Waterstof en zuurstof zijn zelf geen verbindingen omdat ze uit verschillende stoffen zijn opgebouwd. Stoffen die geen verbindingen vormen heten elementen. Waterstof is een element net als zuurstof. Een element is weer een stof die uit slechts één soort atomen bestaat. We kunnen dus ook zeggen dat een watermolecuul bestaat uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Er zijn ruim honderd verschillende elementen bekend.

Atoom

Een atoom is de kleinste bouwsteen waar iets uit bestaat. We dachten lang dat atomen de kleinste deeltjes waren die er bestaan. Dat bleek niet waar. Een atoom kun je verder opdelen in kleinere, subatomaire deeltjes. Daarbij verliest het atoom wel zijn kenmerkende eigenschappen. De hoeveelheid van elk van die deeltjes bepaalt om wat voor soort atoom het gaat. De belangrijkste subatomaire deeltjes zijn protonen, neutronen en elektronen.

Gewicht

De positief geladen protonen en hun neutrale tegenhangers, de neutronen, die negatief geladen zijn, bepalen vrijwel volledig het gewicht van een atoom. In de kern van een atoom zitten deze deeltjes heel dicht op elkaar. Het waterstofatoom is een uitzondering want die bevat als enige geen neutronen. Omdat protonen en neutronen elkaar in evenwicht houden heeft de atoom normaal gesproken geen lading. Elektronen hebben geen gewicht in de schaal maar zij bepalen voornamelijk de omvang van het atoom.

Banen

In het klassieke model zweven de elektronen banen rond de kern zoals planeten dat rond de zon doen. Elke baan kan een afwisselende hoeveelheid elektronen bevatten en tussen de banen zit helemaal niets. Een atoom bestaat voor het grootste gedeelte dus uit niets.

Kwantumtheorie

Met dit klassieke model kun je heel veel over atomen begrijpen en verklaren, maar helaas niet alles. Daarom is er een model bedacht dat is gebaseerd op de 'kwantumtheorie'. Deze theorie spreekt van elektronenwolken in plaats van banen. Elektronen kunnen zich in een elektronenwolk alle kanten op bewegen. Volgens een bepaalde kansverdeling bevindt hij zich waarschijnlijk ergens in dat gebied. Het 'onzekerheidsprincipe' van de kwantummechanica stelt dat je echter nooit tegelijkertijd de exacte positie, snelheid en richting van dat elektron te weten kunt komen.

Spin

De kwantumcomputer is in staat om gebruik te maken van de kwantumeffecten verstrengeling en superpositie in die elektronenwolk die een elektron of foton onder bepaalde omstandigheden kunnen vertonen. Fotonen en elektronen bevatten deze kwantum-identiteiten. Met verstrengeling wordt bedoeld dat twee of meer deeltjes met elkaar op een niet fysieke maar mysterieuze manier verbonden zijn. De superpositie is de spin hiervan. Spin is een fundamentele eigenschap van atoomkernen, hadronen en elementaire deeltjes. Een deeltje lijkt om zijn as te tollen maar dat blijkt niet zo te zijn.

Kwantumcomputer

Een kwantumcomputer kan wetenschappelijk onderzoek op veel terreinen behulpzaam zijn. Een kwantumcomputer werkt niet met de gebruikelijke processors die draaien op binaire eenheden met de waarde 0 of 1. In de kwantum-binaire eenheden (qubits) van de kwantumprocessor zijn waarden mogelijk die bijvoorbeeld 30% 0 en tegelijk 70% 1 zijn. Met 150 cubits heb je meer rekenkracht dan alle bestaande supercomputers in de wereld samen.

Voorbeeld

Als je tien deuren neemt en je verstopt een tas achter deur nummer negen dan zal een traditionele computer beginnen met deur één te openen en vervolgens deur twee totdat die eindelijk bij deur negen is aanbeland. De handeling wordt iedere keer herhaald tot het resultaat is bereikt. Een kwantumcomputer is in staat om in één keer alle deuren te openen om onmiddellijk de tas te traceren.

Data

Met een kwantumcomputer is men in staat om gigantische hoeveelheden data te analyseren en hier allerlei verbanden en patronen tussen te leggen. Dit kan een ware revolutie betekenen voor de wetenschappen. De eerste stap in de goede richting is gezet met het nabootsen van een waterstofmolecuul.