Een spoorloos verdwenen fysicus beschreef 75 jaar geleden een wel heel exotisch elementair deeltje. Nu blijken vorsers aan de Technische Universiteit te Delft dit deeltje te hebben waargenomen. Hiermee kan de basis gelegd worden voor de langverwachte supercomputers.
Op 27 maart 1938 gaat Ettore Majorana, een 32-jarige Italiaanse fysicus naar zijn bank in de Siciliaanse hoofdstad Palermo, neemt al het geld op van zijn rekening en koopt even later een ticket voor de boot naar Napels.
Als de boot laat op de avond aanmeert te Napels is Majorana niet meer aan boord. Hij is verdwenen zonder een spoor achter te laten. Gaf hij toch een hint? Op de dag van zijn verdwijning ontvangt de directeur van het Instituut voor Fysica te Napels een brief, gedateerd 25 maart, van Majorana waarin deze hem zegt dat hij een onvermijdelijke beslissing heeft genomen en vraagt ervoor te zorgen dat zijn collega’s hem niet zullen vergeten. Er zijn diverse theorieën ontstaan rond dit vreemde voorval, van ontvoering tot zelfmoord, maar na al die jaren is er nog niet de minste duidelijkheid. 
Majorana bestudeerde, net als vele fysici in die tijd, intensief het gedrag van atoomkernen en elementaire deeltjes. Zo suggereerde hij in 1937 de mogelijkheid van het bestaan van een deeltje met als hallucinante eigenschap dat het zijn eigen antideeltje is. Verder dan een geschreven bewijsvoering doorspekt met formules is het niet gekomen, het zg. Majorana-fermion werd sinds 1937 tot 2012 nooit waargenomen. Toch werd er ijverig naar gezocht, want zulk een deeltje zou niet enkel kosmologische raadsels helpen oplossen, maar ook toepassing kunnen vinden voor een supercomputer, zoals we zo dadelijk zullen zien.
Eind februari 2012 verscheen in het wetenschappelijke blad Nature een artikel waarin vermeld stond dat een groep Delftse fysici onder leiding van professor Leo Kouwenhoven erin geslaagd zou zijn, het bestaan van het Majorana-fermion te bewijzen. Kouwenhoven zelf hield het bij een ‘voorzichtig ja’ als antwoord op de vraag of het opzet geslaagd was.
Intussen verscheen er een papier van de Delftse onderzoekers waarin de ontdekking bevestigd wordt. Hiermee hebben ze confraters in vele landen achter zich gelaten en staan ze nu aan de top van de hedendaagse deeltjesfysica.
Wat kan deze ontdekking dan wel betekenen voor u en mij? Meer dan we op het eerste gezicht zouden denken.
Als wij hierboven de eigenschap dat een Majorana-fermion zijn eigen antideeltje is omschreven als ‘hallucinant’, dan wisten we waarom. Want ‘normale’ antideeltjes heffen elkaar bliksemsnel en volledig op als ze samen komen. Neem nu het elektron en het anti-elektron, ook positron genoemd. Als die twee tegen elkaar botsen, verdwijnen ze ogenblikkelijk in een felle energiepuls, gevolg gevend aan Einsteins beroemde E = mc² formule.
Majorana heeft berekend, dat er een deeltje moet zijn dat de beide fundamentele eigenschappen (materie-antimaterie) in zich verenigt en zichzelf niet vernietigt. Te gek om los te lopen hebben velen nadien gezegd.
Maar de wiskundige bewijsvoering van onze Italiaanse fysicus stond als een rots en daarop hebben waarschijnlijk professor Kouwenhoven en zijn team, samen met collega’s van de Technologische Universiteit te Eindhoven, gebouwd om hun experimenten uit te voeren.
En ze zijn geslaagd in hun opzet, zonder beroep te kunnen doen op gigantische deeltjesversnellers zoals de large hadron collider in Genève. Zij deden het met opstellingen in een magnetisch veld van ultradunne draadjes (nanodraden) bestaande uit een legering van indium en antimoon en geplaatst op een supergeleidende chip. Wanneer stroompjes door deze nanodraden werden geleid, maten ze op bepaalde plekken ‘dipjes’ in de geleidbaarheid, enkel toe te schrijven aan de aanwezigheid van een Majorana-fermion.
Zoals we al hoger aanhaalden heeft deze ontdekking niet alleen belang voor de theoretische natuurkunde en de kosmologie, maar kunnen ze ook de deur openen naar een nieuwe supercomputers, de zg. quantumcomputers.
Een hedendaagse computer rekent zoals overbekend met nullen of enen. Hierbij moet elke bewerking volgen op een andere. In een conventionele siliciumchip gaat dat razendsnel, maar eigenlijk allang niet razendsnel genoeg meer. Nu wordt er gewerkt aan quantumcomputers, die de informatie in hun geheugen opslaan d.m.v. de zg. spintoestand van atomen. Dit geeft de mogelijkheid om niet alleen met 0 en 1, maar met alle mogelijke niveaus hiertussen te werken, bij voorbeeld 0,2 en 0,8 of 0,12 en 0,88. Atomen doen dit bliksemsnel, meerdere grootteordes sneller dan de elektronen in een siliciumchip. Maar de minste storing brengt ze van de wijs. Een voorbij denderende vrachtwagen is genoeg om een berekening verloren te laten gaan.
Een computer met een geheugen gebaseerd op Majorana-fermionen zou dezelfde of misschien een nog hogere snelheid bieden dan één met atomen. Maar deze fermionen zijn onverstoorbaar, ze komen altijd op hun ‘pootjes’ terecht, wat er ook buitenaf gebeurt. Dat maakt Majorana-fermionen echt uniek. Ze herbergen twee fundamentele tegenstellingen (deeltje en antideeltje) maar zijn stabieler in een computergeheugen dan wat dan ook.
Professor Kouwenhoven en zijn team staan sterk in de spotlights van computergiganten zoals Microsoft, die volgens info in de media met een beurs van 1 miljoen dollar het onderzoek hielpen financieren. Ook het Nederlandse Het FOM-Instituut voor Plasmafysica te Rijnhuizen heeft een ruime beurs verleend.
Het ziet ernaar uit, dat in Delft de natuurkunde een nieuwe en belangrijke puls heeft gekregen. En het ontdekken van het Majorana-fermion, het geesteskind van een onfortuinlijke Italiaanse natuurkundige, zou wel eens het startschot kunnen zijn van een hele reeks ontdekkingen die zullen leiden tot nieuwe inzichten, spectaculaire ontdekkingen en boeiende toepassingen.
Jan Van Besauw
Publicist USMarkets.nl