Is dit het eerste natuurkundige raadsel dat de kwantumcomputer gaat oplossen?
Kagome is een Japans woord voor een weefpatroon dat er precies zo uitziet als het rooster. Wie dit rooster weet na te bootsen op een computer kan nieuwe inzichten krijgen in het gedrag van vaste stoffen die in de natuur voorkomen. Theoretisch natuurkundige Joris Kattemlle (CWI/QuSoft) stelt voor om de eerste kwantumcomputer met slechts zon honderd kwantumbits aan het rooster te laten rekenen. Die computer is namelijk al in zicht - en het rooster is een veelbelovende kandidaat is om te bewijzen dat er een nieuwe soort magnetisme bestaat. Kattemlle promoveerde onlangs aan de Universiteit van Amsterdam (UvA) op zijn proefschrift Many-body physics meets quantum computation'. Het kagome-rooster beschrijft de magnetische eigenschappen van het mineraal Herbertsmithiet, een mineraal dat in 1972 in Chili werd ontdekt door Herbert Smith. Het mineraal kent geen specifieke toepassingen maar is voor natuurkundigen een interessant studieobject om alle mogelijke gedragingen van atomen en moleculen in vaste stoffen te begrijpen. Het spannendste van het kagome-rooster is dat het misschien kan bewijzen dat quantum spin liquid bestaat: een nieuw soort wanordelijke magnetische toestand waarin er geen orde zit in de richting van de elementaire magneetjes, zoals dat bijvoorbeeld wel het geval is bij een ferromagneet, waar alle magneetjes dezelfde kant op wijzen. Natuurkundigen denken dat dat bestaat, maar hebben dat nog nooit bewezen of experimenteel gevonden. Kattemlle heeft in zijn proefschrift aangetoond dat het kagome-probleem precies de juiste eigenschappen heeft die het zeer geschikt maken om opgelost te worden met een kwantumcomputer. De rode draad in het proefschrift is de wisselwerking tussen de veeldeeltjesfysica (die bijvoorbeeld verklaart waarom elektrische geleiding pas bij vele elektronen ontstaat en niet bij n enkel elektron) en de kwantumcomputer. Een veeldeeltjesprobleem dat volgens sommige natuurkundigen een praktische belemmering voor de bouw van een quantumcomputer vormt, is super-ruis. Super-ruis is het fenomeen dat de ruis van alle kwantumbits bij elkaar groter is dan de som van de ruis van alle individuele quantumbits. Kattemlle in zijn proefschrift, naast het werk aan het kagome-rooster, ook nog aangetoond dat deze super-ruis geen praktisch probleem vormt voor de bouw van een toekomstige kwantumcomputer.