Een van de plekken waar dat onderzoek wordt gedaan is het Science Park, aan de FNWI. Daar werkt universitair docent Michael Walter binnen het Korteweg-de Vries Instituut voor Wiskunde en het Institute of Physics. Daarnaast is hij senior researcher bij QuSoft, het onderzoekscentrum voor kwantumsoftware. Na zijn studies wiskunde en informatica in Duitsland, promoveerde hij in de natuurkunde op kwantum-informatie bij het ETH Zürich.

Dat was in 2014. Toen was de aandacht voor kwantumfysica al redelijk groot. Nu, 2021 inmiddels, weet de hele wereld wat kwantumcomputers zijn en wachten we met smart op de komst van deze supermachines. Het onderzoeksgebied van Michael is booming.

‘Dit is voor ons allen een heel nieuwe ervaring,’ vertelt Michael. ‘Ik vind het erg spannend om te zien waar we met de kwantumcomputers heen gaan. We weten al dat ze belangrijk kunnen zijn bij een groot aantal toepassingen. Ik heb het gevoel dat we deel uitmaken van iets groters, waarmee we echt het verschil kunnen maken.

Met mijn onderzoek wil ik erachter komen welke processen deze supercomputers kunnen versnellen, en hoe. Dit betekent dat ik nieuwe algoritmen wil vinden en inzicht wil krijgen in de complexiteit van kwantumberekeningen. Ik hoop hiermee impact te maken op onze samenleving.’

Kwantumverstrengeling en -optimalisatie

Het onderzoek van Michael valt binnen de kwantuminformatietheorie, waarbij sommige onderwerpen meer wiskundig zijn en anderen meer richting de natuurkunde gaan.

Zo kijkt hij naar het fenomeen kwantumverstrengeling. Bij verstrengeling zijn kwantummechanische deeltjes met elkaar ‘verbonden’, hoewel ze heel ver uit elkaar kunnen liggen, en nemen elkaars eigenschappen over. Als het ene deeltje verandert, dan veranderen de eigenschappen van het andere deeltje mee.

Michael: ‘Voor mij is verstrengeling iets dat al mijn onderzoek bij elkaar houdt. Het is verantwoordelijk voor de snelheid van kwantumalgoritmen en de kracht van kwantumnetwerken. Dit motiveert ons om de wiskundige structuur ervan beter te begrijpen. Maar er zijn ook aanwijzingen dat verstrengeling ons kan helpen begrijpen hoe de ruimtetijd uit de kwantummechanica kan tevoorschijn komen. Dit zijn allemaal dingen die ik onderzoek met mijn studenten en collega’s.’

Met zijn wiskundige bril op richt hij zich onder meer op een ander spannend onderzoeksgebied: kwantumoptimalisatie. Daarbij wil hij vragen beantwoorden als: Hoe kunnen kwantumalgoritmen helpen om optimalisatietaken bij kwantumcomputers te versnellen? Wat is er mogelijk en wat niet?

Michael: ‘Dit onderzoek is ontzettend belangrijk. Denk eens aan het maximaliseren van de doorvoer in een fabriek of de optimale distributie van vaccins. Een groot aantal rekenproblemen kan worden geformuleerd in de taal van optimalisatie. Dit biedt een vruchtbaar perspectief. Kwantumalgoritmen kunnen hier een grote impact hebben.’

Theorie vs. Praktijk

Uniek aan het onderzoek Michael is niet alleen dat het zich tussen drie verschillende disciplines beweegt – wiskunde, informatica en natuurkunde – maar ook dat hij zich richt op zowel fundamentele als toegepaste wetenschap. Voor zijn interdisciplinaire onderzoek ontving Michael onlangs een Early Career Award van de Koninklijke Nederlands Akademie van Wetenschappen (KNAW).

‘De kern van mijn onderzoek is fundamenteel,’ vertelt hij. ‘Maar een deel is meer toegepast. Ik ben blij dat ik beide doe. Het fundamentele, aangevuld met onderzoek waarmee ik de ‘echte’ wereld raak. Ik werk aan verschillende projecten, waarbij ik veel samenwerk met andere universiteiten, instituten en ook bedrijven. Voor de wiskunde en informatica doe ik bijvoorbeeld veel met Berlijn en Princeton, terwijl ik aan de natuurkundige kant samenwerkingen heb met collega’s van Berkeley en Caltech. Al die projecten zijn verschillend maar wel verwant.’

Dat Michael aan de FNWI is beland is geen toeval. Binnen de kwantuminformatica kun je binnen Europa bijna niet beter zitten, dan op het Science Park. ‘Amsterdam is zeker een van de sterkste plekken niet alleen in Europa maar ook wereldwijd als het gaat om kwantuminformatica. Er zijn veel uitstekende collega’s aan de UvA om mee samen te werken. En met het CWI naast de deur, heb je nog meer mensen om je heen met wie je kunt sparren.’

Onderwijs

Naast zijn onderzoek, heeft Michael oog voor de toekomstige generaties kwantumonderzoekers.  Voor een aantal bacheloropleidingen geeft hij het vak Informatietheorie en voor de masters Kwantuminformatietheorie. ‘Het voorbereiden van de lessen kost zeker tijd, maar het loont helemaal. Vooral als je met studenten werkt die enthousiast zijn.’ Bij het Korteweg-de Vries Instituut is hij samen met collega’s bezig met het opzetten van een nieuwe specialisatie in Discrete Wiskunde en Kwantuminformatie.

Ook met een nog nieuwere lichting studenten is Michael al druk: ‘We hebben een online cursus ontwikkeld over kwantumcomputers voor middelbare scholieren, genaamd “Quantum Quest”. Ik vind het erg belangrijk om die groep te bereiken en enthousiast te maken voor dit vak. We hebben in de toekomst gewoon veel nieuwe mensen nodig.’

De online lessen zijn niet gemakkelijk. Een maand lang werken de scholieren aan verschillende problemen uit de kwantuminformatica. Daarnaast krijgen ze een paar lezingen. ‘De online cursus is erg succesvol.  Scholieren leren om te programmeren voor kwantumcomputers. Juist omdat het wat moeilijker is – de stof is qua niveau in de richting van het bachelorniveau – zijn ze uitgedaagd en vinden ze het interessant om te doen.’

Samen vooruit

Die nieuwe aanwas is nodig. Er is nog heel wat werk te verzetten om een werkende kwantumcomputer te maken. Binnen Nederland is de samenwerking goed om die laatste stappen naar een werkende kwantumcomputer te zetten.

Michael: ‘Elke universiteit heeft zijn eigen kracht, waarmee we elkaar versterken. De experimentalisten zijn enthousiast omdat ze goed op weg zijn om een kwantumcomputer te bouwen. Dit motiveert ons theoretici enorm om verrassende nieuwe algoritmen te vinden.’

Jaarmagazine FNWI 2020

Dit artikel is ook gepubliceerd in het FNWI Jaarmagazine 2020. Lees ons jaarmagazine voor nieuws en achtergrond over FNWI onderwijs en onderzoek in 2020, inclusief interviews met docenten, onderzoekers en studenten, cijfers over instroom en medewerkers, nieuws over organisatorische ontwikkelingen en valorisatie-activiteiten.