Amerikaanse middelbare school krijgt als eerste een eigen kwantumcomputer

De school in Fairfax County, vlak bij Washington D.C., schaft de machine aan omdat de kwantumindustrie wereldwijd hard groeit. Overheden en investeerders pompen steeds meer geld in de technologie, maar personeel met de juiste kennis is schaars. Fairfax County Public Schools wil daar iets aan doen door leerlingen al op de middelbare school met een echte kwantumcomputer te laten werken, in plaats van pas tijdens een universitaire studie.

Een kwantumcomputer ter grootte van een koelkast

De XQ1 is geen machine die zware berekeningen gaat uitvoeren. Met slechts vier qubits — de basiseenheden van een kwantumcomputer — is hij veel te klein voor serieuze toepassingen. Elke qubit is gebaseerd op een diamant met speciaal aangebrachte defecten, een zogeheten diamantspin-qubit. Het grote voordeel daarvan is dat dit type qubit, in tegenstelling tot veel andere kwantumtechnieken, bij kamertemperatuur werkt. Daardoor is geen extreme koeling nodig en kan de machine jarenlang probleemloos in een klaslokaal draaien. Volgens oprichter Gopalakrishnan Balasubramanian van XeedQ is het apparaat, ter grootte van een kleine koelkast, met opzet robuust gebouwd om de dagelijkse schoolpraktijk te doorstaan. De aanschaf kost ongeveer 900.000 dollar, wat volgens superintendent Michelle Reid van het schooldistrict nog altijd goedkoper uitpakt dan bijvoorbeeld een nieuw lasopleidingsprogramma optuigen.

Leren denken als een kwantumfysicus

Juist omdat de XQ1 maar vier qubits heeft, ligt de nadruk niet op rekenkracht maar op begrip. Leerlingen gaan in groepjes van twee of drie experimenteren en daarbij de programmeertaal Python gebruiken. Zo kunnen ze zelf ontdekken dat een qubit die telkens op dezelfde manier wordt voorbereid, niet altijd hetzelfde resultaat geeft als je hem uitleest. Dat fenomeen, dat samenhangt met het principe van superpositie, is een van de vreemdste en lastigste aspecten van kwantummechanica. Door er al op school mee te experimenteren, bouwen leerlingen volgens Balasubramanian intuïtie op die normaal pas tijdens een natuurkundestudie wordt aangeleerd. Daarnaast kunnen ze spelen met de elektromagnetische pulsen die de qubits aansturen en onderzoeken hoe gevoelig het systeem is voor storing uit de omgeving.

Groeiende vraag naar kwantumpersoneel

De XQ1 gaat eerst onderdeel worden van wiskunde- en natuurkundelessen voor leerlingen in hun voorlaatste of laatste schooljaar, met de mogelijkheid dat het lesprogramma later wordt uitgebreid. Ook leerlingen van andere scholen in de regio krijgen via weekendprogramma's toegang tot de machine. Reid noemt de aanschaf een investering in een vakgebied dat wereldwijd explodeert: alleen al in de Verenigde Staten worden de komende tien jaar ongeveer 800.000 banen in de kwantumsector verwacht. Door leerlingen al vroeg te laten zien hoe de technologie werkt, hoopt het schooldistrict een nieuwe generatie te interesseren voor een sector die anders vooral afhankelijk blijft van een klein aantal gespecialiseerde universitaire opleidingen.