Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
kat in doos

De Fransman Serge Haroche en de Amerikaan David Wineland krijgen samen de Nobelprijs voor de natuurkunde. Ze hebben, onafhankelijk van elkaar, manieren ontwikkeld om individuele deeltjes te meten en te beïnvloeden, zonder dat alle kwantumeigenschappen daardoor verdwijnen. Dat kan dus toch.

Voor losse deeltjes licht of materie gaan de klassieke natuurwetten niet op. Hun wereld wordt geregeerd door de knotsgekke wetten van de kwantummechanica. De deeltjes kunnen bijvoorbeeld in twee toestanden tegelijk verkeren, of op twee plaatsen tegelijk zijn. Zolang je niet meet hoe het precies zit, is het allebei waar. Op de schaal die wij waarnemen, kan zoiets niet. Maar de kwantumwereld en de mensenwereld komen wel steeds dichter bij elkaar.

‘We experimenteren nooit met slechts één elektron of atoom of klein molecuul,’schreef de beroemde fysicus Erwin Schrödinger in 1952. ‘In gedachte-experimenten nemen we soms aan dat we dat wel doen; dat leidt zonder uitzondering tot belachelijke consequenties.’ De Amerikaan David Wineland (1944) en de Fransman Serge Haroche (zelfde bouwjaar) kregen vandaag samen de Nobelprijs voor de Natuurkunde toegekend omdat ze zulke gedachte-experimenten in het echt hebben uitgevoerd, onafhankelijk van elkaar. En inderdaad, de consequenties zijn ook in werkelijkheid bizar.

Schrödingers kat
Schrödinger is onder meer bekend om zijn gedachte-experiment uit 1935, met een kat in een volledig isolerende doos. Hij stelde zich voor dat er in de doos ook een flesje dodelijk gas zat, dat open zou gaan wanneer een enkel atoom van een radio-actief element zou vervallen. Dat verval is een toevalsproces, en dat betekent volgens de wetten van de kwantummechanica dat zo’n atoom in twee toestanden tegelijk is zolang je dat niet meet: wel en niet-vervallen.

Vanwege de consequenties die het verval heeft, redeneerde Schrödinger, moet de kat in de doos dus ook in twee toestanden tegelijk zijn: dood en levend. Pas op het moment dat je kijkt, ‘vervalt’ de kat tot een levend wezen of een kattenlijk. Dat is natuurlijk een absurde conclusie, en daar was het Schrödinger ook om te doen. Hij wilde er vooral mee aantonen hoe belachelijk de grootschalige consequenties zijn van de regel in de kwantummechanica die zegt dat een kwantumtoestand pas overgaat in een stabiele toestand als je ‘m meet.

Maar ‘meten’ moest volgens zijn collega Niels Bohr niet per se worden opgevat als iets waar een bewuste waarnemer aan te pas kwam. Het mechanisme dat ervoor zorgt dat bij verval van het atoom het flesje gif opengaat, is eigenlijk ook een meting. Dus is de kat gewoon dood óf levend, zei hij. Raadsel opgelost. Kwantumprocessen zijn zonder meting niet te zien, en meten vernietigt ze, dus zal de kwantumwereld de onze nooit binnendringen. Toch?

Toch te meten
Nou, nee. De experimentele natuurkunde heeft bewezen dat dat toch te simpel gedacht is. Er valt wel degelijk te meten en te manipuleren aan enkele deeltjes in een kwantumtoestand zonder die toestand direct te vernietigen, en Wineland en Haroche zijn daarin twee pioniers. Meten is trouwens wel altijd tegelijk ook manipuleren. Een kwantumsysteem meten zonder het te veranderen, dat kan echt niet.

Wineland sloot in de jaren negentig individuele elektrisch geladen atomen (ionen) op door ze te omringen met elektrische velden. In vacuüm, bij een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt. Zo’n deeltje bestookte hij vervolgens met een laserpuls, zodat het in een zogenaamde superpositie terechtkwam. Dat wil zeggen: in twee toestanden tegelijk. Met de laser is het deeltje dan te manipuleren en te “bekijken”, zonder alle kwantummagie te vernietigen.

Haroche sloot geen ionen, maar fotonen op, lichtdeeltjes dus. Die liet hij heen en weer kaatsen tussen twee speciale, supergekoelde spiegels. Die weerkaatsten zó goed, dat elk lichtdeeltje ongeveer een tiende van een seconde heen en weer stuiterde voor het ontsnapte. Dat lijkt kort, maar bedenk wel dat het in die tijd zo’n dertigduizend kilometer heeft afgelegd. Om metingen aan de fotonen te doen, stuurden de Franse onderzoekers er zogenaamde Rydberg-atomen doorheen, bizarre donutvormige mega-atomen. Die komen er als ze onderweg een foton zijn tegengekomen, net even anders uit dan ze erin gingen, en daarmee had Haroche een manier om metingen aan enkele fotonen te doen zonder die te vernietigen. Dat werd eerder niet mogelijk geacht.

Knutselaars
‘Wineland en Haroche verdienen deze prijs zeker. En ze draaien nog steeds mee in de top, maar niet meer alleen’, zegt de Delftse kwantumfysicus Leo Kouwenhoven, zelf ook niet onverdienstelijk in dit sterk groeiende vakgebied. ‘Hun succes is vooral voortgekomen uit hun extreme technologische begaafdheid. Uitmuntende knutselaars, ja, dat zijn het, en dat moet je ook zijn in dit vak. Er zijn trouwens nog twee mannen die in dat verband genoemd moeten worden: de Oostenrijkers Peter Zoller en Reiner Blatt. Als de regel niet was dat een Nobelprijs maximaal naar drie personen gaat, hadden zij misschien wel in de eer gedeeld.’

Het onderzoek is inmiddels natuurlijk verder gekomen. Er kan nu van alles met atomen en fotonen. Kouwenhoven: ‘De groepen van Wineland en Haroche werken nu aan schaalvergroting. Ze begonnen met de wisselwerking tussen één atoom en één foton; inmiddels werken ze al met twaalf fotonen die in dezelfde toestand zitten, geloof ik. Het is nog geen kat, maar wordt wel steeds groter.’

De twee winnaars zijn op dit moment trouwens geen kampioenen in het maken van grootschalige kwantumsystemen, zegt de Nederlandse fysicus: ‘Er zijn al constructies met een kwantumtoestand gemaakt die je met het blote oog kunt zien. Hoewel die kwantumtoestand wel vervalt op het moment dat je kijkt.’

Wat hebben we nu praktisch gezien aan het werk van Wineland en Haroche? Het spookachtige fenomeen kwantumteleportatie werd erdoor mogelijk. En het team van Wineland heeft in 2006 een optische klok gebouwd die zo nauwkeurig is dat hij maar één seconde uit de pas loopt per 400 miljoen jaar. Inmiddels zijn nog nauwkeuriger klokken ontwikkeld, tot een fout van 1 seconde per 32 miljard jaar. Met de preciezere tijdmetingen die daarmee mogelijk worden, is veel nuttigs te doen, vooral in het onderzoek.

Een mogelijke andere toepassing is de kwantumcomputer, die bepaalde berekeningen veel sneller kan uitvoeren dan een gewone computer, doordat hij alle mogelijke combinaties parallel kan doorrekenen. Dat is in de praktijk nog lang niet op grote schaal toepasbaar, maar wordt ergens deze eeuw wel verwacht.