Delftse onderzoekers zorgen voor ‘atomaire’ doorbraak in computerwereld

‘Hiermee staan we aan het begin van een nieuw tijdperk.’ ‘We hebben het atomaire equivalent van de uitvinding van de boekdrukkunst te pakken.’

Het is een ‘understatement’ dat we maar weinig onderzoekers zo vurig hebben horen vertellen als fysicus Sander Otte. Maar misschien is zijn enthousiasme wel terecht. Want samen met Floris Kalff en de rest van het Otte-labteam (TU Delft) slaagde Otte er voor de eerste keer in de geschiedenis in om een computergeheugen te maken waarbij één stukje opgeslagen computerinformatie (één computerbit) gelijk staat aan slechts één atoom. En deze doorbraak valt zeker niet te onderschatten.

Omdat ze zo uiterst klein zijn, wordt er al langer gezocht naar manieren om atomen als geheugenbewaarders te gebruiken. Het Otte-lab weet nu een informatiedichtheid van vijfhonderd terabits per vierkante inch te bereiken, ofwel vijfhonderd keer meer dan de beste harde schijf die je nu op de markt kunt vinden.

Daarvoor was er wel een aantal voorwaarden waar het aan moest voldoen. Je moest atomen op grote schaal machinaal kunnen ‘schrijven’ (of beter: positioneren), ze mochten niet tegen je wil uit elkaar vallen, en de techniek moest uiteraard op lange termijn opschaalbaar zijn. Er zijn eerdere pogingen ondernomen om deze obstakels weg te krijgen (onder andere door computerreus IBM), maar geen enkele poging leek erg levensvatbaar.

Een knappe ‘tegelvloer’

Dat het Otte-lab hier nu wel in slaagt mag ook een verrassing heten, want het Delftse team was eigenlijk meer geïnteresseerd in fundamentele vragen over de werking van atomen en magnetisme. Otte: ‘Uit een van onze experimenten in het najaar van 2015 zagen we dat atomen van chloor bijzonder stabiel zijn wanneer ze op een laag van koperatomen liggen. Daarom legden we een rooster van chlooratomen op een rooster van koperatomen. Samen functioneren ze als een soort tegelvloer die je kunt indrukken en die voor 99,8 procent betrouwbaar is. Als een chlooratoom zich aan de oppervlakte bevindt geeft deze een 1-waarde aan, wanneer deze naar onderen is ingedrukt krijg je een 0-bit.’

Deze binaire code van 0- en 1-waarden wordt precies ook door onze computers gebruikt. Daarom is het ook niet zo moeilijk om de atomen met een computeralgoritme te beschrijven. De onderzoekers hebben zelfs al een klein tekstje gemaakt die de computer kan lezen (een zogenaamde ASCII-tekst). ‘De 166 woorden hiervoor namen we uit een speech van Richard Feynmann, een van de grootste wetenschappers uit de 20^ste eeuw’, vertelt Otte overtuigd. ‘In die speech voorzag hij al dat atomen informatie kunnen opslaan. Een echte visionair.’

Meer dan data-opslag alleen

De doorbraak van het Otte-lab heeft wel een belangrijke kanttekening. De chlooratomen blijven enkel stabiel in een vacuumtoestand en op een temperatuur van 77 Kelvin, ofwel -196.15 graden celsius. Niet meteen geschikt voor je laptop of pc dus. ‘Dat klopt’, geeft Otte toe, ‘maar MRI-scanners in ziekenhuizen werken met vloeibaar helium van vier Kelvin. Ons onderzoek zou bijzonder nuttig kunnen zijn voor een gigantische cloud-computer waarin iedereen zijn data kan opslaan.’

De atoomcomputer is ook voor de lange termijn, onder andere omdat er momenteel een uur nodig is om de één kilobyte die het Otte-lab bouwde (8,000 bits) te kunnen lezen. Om deze te herschrijven drie uur. Maar volgens Otte zelf zijn deze obstakels niet onoverkomelijk en gaat de ‘atoomcomputer’ er een keer komen. Het belang van de doorbraak gaat echter nog veel verder.

Otte: ‘Met de zogenaamde “wet van Moore” (geen echte natuurkundewet, maar de voorspelling dat de rekenkracht van computers elke anderhalf tot twee jaar verdubbelt, red.) dacht men dat alle informatie steeds op een kleinere schaal opgeslagen zal worden op de huidige gebruikte materialen. Wij draaien het volledig om. Wij beginnen met het kleinste te gebruiken om de info op te slaan. Daarnaast is de data-opslag mooi, maar boven alles is deze doorbraak belangrijk omdat we voor het eerst atomen op grote schaal automatisch naar onze hand hebben kunnen zetten. En je kunt er gerust op zijn dat dit nog erg veel toepassingen met zich mee zal brengen.’

Dit artikel is verzorgd door de wetenschapsredactie van De Kennis van Nu.