De Nobelprijs voor natuurkunde is vandaag toegekend aan Alain Aspect, John Clauser en Anton Zeilinger voor hun baanbrekend werk op gebied van quantumtechnologie. De Fransman, Amerikaan en Oostenrijker moeten de prijs delen. Ze hebben de basis gelegd voor een nieuw tijdperk op dit gebied, aldus het Nobelcomité voor de Natuurkunde.
Eva Olsson, een lid van het Nobelcomité voor Natuurkunde, noemt de quantum-informatica ‘een levendig en zich snel ontwikkelend veld’. Op komst zijn belangrijke toepassingen zoals veilige informatieoverdracht, quantum computing en detectietechniek. De oorsprong hiervan kan worden herleid tot die van de quantummechanica, de theorie in de natuurkunde die een beschrijving geeft van de fysieke eigenschappen van de natuur op de schaal van atomen en subatomaire deeltjes.
Terwijl natuurkundigen vaak problemen aanpakken die op het eerste gezicht ver verwijderd lijken van alledaagse beslommeringen – kleine deeltjes en de enorme mysteries van ruimte en tijd – vormt hun onderzoek de basis voor vele praktische toepassingen van wetenschap.
De drie wetenschappers hebben met hun voorspellingen de deuren geopend naar een andere wereld, stelt Olsson. ‘Ook hebben ze de grondvesten opgeschud van hoe metingen zijn te interpreteren.’ Het trio kreeg de prijs voor hun baanbrekende experimenten met verstrengelde fotonen. In deze toestand gedragen twee deeltjes zich als een een enkele eenheid gedragen, zelfs als ze gescheiden zijn. Hun resultaten hebben de weg vrijgemaakt voor nieuwe technologie op basis van kwantuminformatie.
Zodra de eigenschappen van de ene qubit gemeten worden, worden de eigenschappen van de andere volkomen voorspelbaar. Daarbij maakt het niet uit hoe ver de twee qubits van elkaar zijn verwijderd. Wanneer zo’n qubit-paar uit twee fotonen bestaat, kun je een van de twee qubits door een glasvezelkabel sturen, met als resultaat dat er een beveiligde sleutel wordt uitgewisseld.
Delft en John Bell
Onder meer het Delftse Qutech is aardig gevorderd met onderzoek naar het quantum-internet. Vandaag werd bekend dat de Rotterdamse haven een grootschalige test met quantum-internet gaat doen, waarbij de uitgewisselde informatie niet valt te onderscheppen. Quantumfysicus Anton Zeilinger, nu mede-winnaar van de Nobelprijs, noemde begin 2021 de (rudimentaire) Delftse voorloper hiervan een echte mijlpaal.
Over eerdergenoemde verstrengeling is lange tijd hevig gediscussieerd. Het was de vraag of de correlatie kwam doordat de deeltjes in een verstrengeld paar verborgen variabelen bevatten, instructies die hen vertellen welk resultaat ze moeten geven in een experiment. In de jaren zestig ontwikkelde John Stewart Bell de wiskundige ongelijkheid die naar hem is vernoemd. Hierin staat dat als er verborgen variabelen zijn, de correlatie tussen de resultaten van een groot aantal metingen nooit een bepaalde waarde zal overschrijden. De kwantummechanica voorspelt echter dat een bepaald type experiment de ongelijkheid van Bell zal schenden, wat resulteert in een sterkere correlatie dan anders mogelijk zou zijn.
Laureaten
De Amerikaan John Clauser borduurde verder op de ideeën van John Bell, wat leidde tot een praktisch experiment. Toen hij de metingen deed, ondersteunden ze de kwantummechanica door duidelijk een Bell-ongelijkheid te schenden. Dit betekent dat de kwantummechanica niet kan worden vervangen door een theorie die gebruik maakt van verborgen variabelen.
Na het experiment van John Clauser bleven er enkele mazen in de wet over. De Fransman Alain Aspect ontwikkelde de opstelling verder. Hij gebruikte deze op een manier die een belangrijke maas in de wet sloot. Hij kon de meetinstellingen wijzigen nadat een verstrengeld paar de bron had verlaten, zodat de instelling die bestond toen ze werden uitgezonden het resultaat niet kon beïnvloeden.
Met behulp van verfijnde hulpmiddelen begon de Oostenrijker Anton Zeilinger verstrengelde kwantumtoestanden te gebruiken. Hij heeft onder meer een fenomeen aangetoond dat quantum-teleportatie wordt genoemd. Hierbij is een quantumtoestand op afstand van het ene deeltje naar het andere te verplaatsen. Meer over hun pionierswerk staat in een document van de Zweedse Academie van Wetenschappen.
