Nobelprijs natuurkundigen delen prijs voor inzichten in de spookachtige wereld

Nobelprijs: natuurkundigen delen prijs voor inzichten in de spookachtige wereld van de kwantummechanica

Leden van het Nobelcomité voor Natuurkunde maken de winnaars van de Nobelprijs voor Natuurkunde 2022 bekend (L-R op het scherm) Alain Aspect, John F. Clauser en Anton Zeilinger TT News Agency / Alamy Stock Photo

De Nobelprijs voor natuurkunde van 2022 is toegekend aan een trio wetenschappers voor baanbrekende experimenten in de kwantummechanica, de theorie over de microwereld van atomen en deeltjes.

Alain Aspect van de Université Paris-Saclay in Frankrijk, John Clauser van J.F. Clauser & Associates in de VS, en Anton Zeilinger van de Universiteit van Wenen in Oostenrijk, zullen de prijssom van 10 miljoen Zweedse kronen (915.000 US$) delen “voor experimenten met verstrengelde fotonen, het vaststellen van de schending van Bell ongelijkheden en pionierswerk op het gebied van quantum informatie wetenschap”.

De wereld van de kwantummechanica lijkt inderdaad heel vreemd. Op school wordt ons geleerd dat we natuurkundige vergelijkingen kunnen gebruiken om precies te voorspellen hoe dingen zich in de toekomst zullen gedragen – waar een bal heen zal gaan als we hem van een heuvel rollen, bijvoorbeeld.

De kwantummechanica verschilt hiervan. In plaats van individuele uitkomsten te voorspellen, vertelt het ons de waarschijnlijkheid om subatomaire deeltjes op bepaalde plaatsen aan te treffen. Een deeltje kan in feite op verschillende plaatsen tegelijk zijn, voordat het een willekeurige plaats “uitkiest” wanneer we het meten.

Zelfs de grote Albert Einstein zelf was hier niet gerust op – tot het punt waarop hij ervan overtuigd was dat het niet klopte. In plaats van willekeurige uitkomsten, dacht hij dat er “verborgen variabelen” moesten zijn – krachten of wetten die we niet kunnen zien – die de resultaten van onze metingen voorspelbaar beïnvloeden.

Sommige natuurkundigen omarmden echter de gevolgen van de kwantummechanica. John Bell, een natuurkundige uit Noord-Ierland, maakte in 1964 een belangrijke doorbraak door een theoretische test te bedenken om aan te tonen dat de verborgen variabelen die Einstein in gedachten had, niet bestaan.

Volgens de kwantummechanica kunnen deeltjes “verstrengeld” zijn, spookachtig verbonden zodat als je de ene manipuleert, je automatisch en onmiddellijk ook de andere manipuleert. Als deze spookachtigheid – deeltjes die ver van elkaar verwijderd zijn en elkaar op mysterieuze wijze onmiddellijk beïnvloeden – verklaard zou moeten worden doordat de deeltjes met elkaar communiceren via verborgen variabelen, dan zou dat sneller dan licht communicatie tussen de twee vereisen, wat Einstein’s theorieën verbieden.

Kwantumverstrengeling is een moeilijk te begrijpen concept, dat in wezen de eigenschappen van deeltjes verbindt, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Stel je een gloeilamp voor die twee fotonen (lichtdeeltjes) uitzendt die zich in tegengestelde richting van de lamp verwijderen.

Als deze fotonen verstrengeld zijn, dan kunnen ze een eigenschap delen, zoals hun polarisatie, ongeacht hun afstand. Bell stelde zich voor experimenten uit te voeren op deze twee fotonen afzonderlijk en de resultaten daarvan te vergelijken om te bewijzen dat ze verstrengeld waren (werkelijk en op mysterieuze wijze met elkaar verbonden).

Clauser bracht Bell’s theorie in praktijk in een tijd dat experimenten met afzonderlijke fotonen bijna ondenkbaar waren. In 1972, slechts acht jaar na Bell’s beroemde gedachte-experiment, toonde Clauser aan dat licht inderdaad verstrengeld kon zijn.

Hoewel de resultaten van Clauser baanbrekend waren, waren er een paar alternatieve, meer exotische verklaringen voor de door hem verkregen resultaten.

Als licht zich niet zo gedroeg als de natuurkundigen dachten, konden zijn resultaten misschien verklaard worden zonder verstrengeling. Deze verklaringen staan bekend als mazen in Bell’s test, en Aspect was de eerste die dit aanvocht.

Aspect kwam met een ingenieus experiment om een van de belangrijkste potentiële mazen in Bell’s test uit te sluiten. Hij toonde aan dat de verstrengelde fotonen in het experiment niet werkelijk met elkaar communiceren via verborgen variabelen om de uitkomst van Bell’s test te bepalen. Dit betekent dat ze echt spookachtig verbonden zijn.

In de wetenschap is het ongelooflijk belangrijk om de concepten te testen waarvan we denken dat ze juist zijn. En weinigen hebben daarbij een belangrijkere rol gespeeld dan Aspect. De kwantummechanica is in de afgelopen eeuw keer op keer getest en heeft het ongeschonden overleefd.

Quantum technologie

Op dit punt kun je je afvragen waarom het van belang is hoe de microscopische wereld zich gedraagt, of dat fotonen verstrengeld kunnen zijn. Dit is waar de visie van Zeilinger echt schittert.

Nobelprijs natuurkundigen delen prijs voor inzichten in de spookachtige wereld.0&q=45&auto=format&w=754&fit=clip

De Oostenrijkse kwantumfysicus Anton Zeilinger staat in zijn kantoor aan het Instituut voor Kwantum Optiek en Kwantum Informatie (IQOQI)
dpa picture alliance / Alamy Stock Photo

Ooit gebruikten we onze kennis van de klassieke mechanica om machines te bouwen, om fabrieken te maken, wat leidde tot de industriële revolutie. Kennis van het gedrag van elektronica en halfgeleiders heeft geleid tot de digitale revolutie.

Maar inzicht in kwantummechanica stelt ons in staat om het te exploiteren, om apparaten te bouwen die nieuwe dingen kunnen doen. Inderdaad, velen geloven dat het de volgende revolutie, van kwantumtechnologie, zal aandrijven.

Kwantumverstrengeling kan worden gebruikt in computers om informatie te verwerken op manieren die voorheen niet mogelijk waren. Het detecteren van kleine veranderingen in verstrengeling kan sensoren in staat stellen dingen te detecteren met een grotere precisie dan ooit tevoren. Communiceren met verstrikt licht kan ook veiligheid garanderen, omdat metingen van kwantumsystemen de aanwezigheid van de afluisteraar kunnen onthullen.

Zeilinger’s werk maakte de weg vrij voor de kwantum technologische revolutie door te laten zien hoe het mogelijk is om een serie verstrengelde systemen aan elkaar te koppelen, om zo het kwantum equivalent van een netwerk te bouwen.

In 2022 zijn deze toepassingen van de kwantummechanica geen science fiction. We hebben de eerste kwantumcomputers. De Micius satelliet gebruikt verstrengeling om veilige communicatie over de hele wereld mogelijk te maken. En kwantum sensoren worden gebruikt in toepassingen van medische beeldvorming tot het opsporen van onderzeeërs.

Uiteindelijk heeft het Nobelpanel van 2022 het belang erkend van de praktische grondslagen voor het produceren, manipuleren en testen van kwantumverstrengeling en de revolutie die daardoor op gang wordt gebracht.

Ik ben blij dat dit trio de prijs krijgt. In 2002 begon ik een doctoraat aan de Universiteit van Cambridge dat geïnspireerd was door hun werk. Het doel van mijn project was een eenvoudig halfgeleiderapparaat te maken om verstrikt licht te genereren.

Dit was om de apparatuur die nodig is om kwantumexperimenten te doen sterk te vereenvoudigen en om praktische apparaten voor toepassingen in de echte wereld te kunnen bouwen. Ons werk was succesvol en het verbaast en prikkelt mij om de sprongen te zien die sindsdien op dit gebied zijn gemaakt.

Het Gesprek

Robert Young werkt niet voor, geeft geen advies aan, heeft geen aandelen in of ontvangt geen financiering van een bedrijf of organisatie die baat heeft bij dit artikel, en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten zijn academische aanstelling.