De drie laureaten (van links naar rechts): Alain Aspect, John F. Clauser en Anton Zeilinger.
Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach

Alain Aspect, John Clauser en Anton Zeilinger winnen Nobelprijs voor Natuurkunde voor hun baanbrekend onderzoek in de kwantummechanica

De Fransman Alain Aspect, de Amerikaan John F. Clauser en de Oostenrijker Anton Zeilinger hebben samen de Nobelprijs voor de Natuurkunde gekregen. Dat heeft het Nobelprijscomité aangekondigd. Ze hebben volgens het comité baanbrekend werk verricht op het vlak van kwantummechanica. Dat is van belang voor de ontwikkeling van kwantumcomputers en computerencryptie.

Alain Aspect, John Clauser en Anton Zeilinger hebben baanbrekende experimenten verricht met verstrengelde kwantumtoestanden, waarbij twee deeltjes zich als een eenheid gedragen zelfs als ze van elkaar gescheiden worden. Hun onderzoeksresultaten hebben de deur geopend naar nieuwe technologieën die gebaseerd zijn op kwantuminformatie, zo zegt het Nobelprijscomité.

BEKIJK - Wetenschapsjournalist Koen Wauters verklaart in "Het journaal" de verdienste van de winnaars:

Videospeler inladen...

De moeilijk onder woorden te brengen effecten van kwantummechanica beginnen praktische toepassingen te krijgen. Er is nu een breed onderzoeksveld met onder meer kwantumcomputers, kwantumnetwerken en veilige communicatie dankzij kwantumencryptie, kwantumversleuteling. 

Een sleutelfactor in deze ontwikkeling is het feit dat kwantummechanica het toelaat dat twee of meer deeltjes bestaan in wat een verstrengelde toestand wordt genoemd. Wat er gebeurt met een van de deeltjes in een verstrengeld paar, bepaalt wat er gebeurt met het andere deeltje, zelfs als ze zich ver van elkaar bevinden.

Lange tijd was de grote vraag of die correlatie bestond omdat de deeltjes in een verstrengeld paar 'verborgen variabelen' bevatten, instructies die hen zeggen welk resultaat ze zouden moeten geven in een experiment. In de jaren 60 ontwikkelde de Britse natuurkundige John Bell de mathematische ongelijkheid die naar hem is genoemd. Die zegt dat als er verborgen variabelen bestaan, dat dan de correlatie tussen een groot aantal metingen nooit hoger zal zijn dan een bepaalde waarde. De kwantummechanica voorspelt echter dat een bepaald soort experiment de ongelijkheid van Bell zal schenden en dus een sterkere correlatie als resultaat zal geven dan anders mogelijk zou zijn. 

John Clauser ontwikkelde de ideeën van Bell verder en dat leidde tot een praktisch experiment. Zijn metingen stemden overeen met de kwantummechanica door duidelijk een ongelijkheid van Bell met voeten te treden. Dat betekent dat kwantummechanica niet vervangen kan worden door een theorie die gebruik maakt van verborgen variabelen. 

Na het experiment van Clauser bleven er echter nog enkele achterpoortjes open. Alain Aspect paste de opstelling ervan aan en gebruikte het experiment op een manier die een belangrijk achterpoortje sloot. Hij was in staat de instelling van de metingen te veranderen nadat een verstrengeld paar zijn bron verlaten had, zodat de instelling die bestond toen het uitgezonden werd, geen invloed kon hebben op de resultaten. 

Anton Zeilinger ten slotte begon verstrengelde kwantumtoestanden te gebruiken met verfijnde instrumenten en in een lange reeks van experimenten. Zijn onderzoeksgroep toonde onder andere het bestaan aan van een fenomeen dat kwantumteleportatie genoemd wordt, wat het mogelijk maakt een kwantumtoestand te verplaatsen van een deeltje naar een andere vanop afstand. 

"Het is almaar duidelijker geworden dat er een nieuw soort van kwantumtechnologie tevoorschijn komt. We kunnen zien dat het werk van de laureaten met verstrengelde toestanden van groot belang is en zelfs verder strekt dan de fundamentele vragen over de interpretatie van kwantummechanica" zei Anders Irbäck, de voorzitter van het Nobelcomité voor fysica.   

Alain Aspect werd in 1947 geboren in Agen in Frankrijk. Hij behaalde in 1983 zijn doctoraat aan de Université Paris-Saclay in Orsay, waar hij ook professor is. Hij is ook professor aan de École Polytechnique in Palaiseau.

John F. Clauser werd in 1942 geboren in Pasadena in Californië. Hij behaalde zijn doctoraat in 1969 aan de Columbia University in New York. Hij is onderzoeker bij J.F. Clauser & Assoc. in Walnut Creek in Californië. 

Anton Zeilinger werd in 1945 in Ried im Innkreis in Oostenrijk. Hij behaalde zijn doctoraat in 1971 aan de Universität Wien waar hij ook professor is. 

Professor fysica Dirk Van Dijck (Universiteit Antwerpen) in Nieuwe Feiten over de vreemde kwantumwereld en de laureaten: "Ik had al lang verwacht dat ze de Nobelprijs zouden krijgen".

Voorstelling van verstrengelde kwantumdeeltjes.
©Johan Jamestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Meer uitleg: Hoe verstrengeling een krachtig instrument is geworden

De fundamenten van de kwantummechanica zijn niet louter een theoretische of een filosofische kwestie. Er gebeurt intensief onderzoek en er worden zaken ontwikkeld om de speciale eigenschappen van individuele deeltjessystemen te gebruiken om kwantumcomputers te bouwen, metingen te verbeteren, kwantumnetwerken op te zetten en veilige communicatiekanalen te maken dankzij kwantumencriptie.

De meeste toepassingen zijn gebaseerd op het feit dat de kwantummechanica toelaat dat twee of meer deeltjes bestaan in een gedeelde toestand, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. 

Dat wordt verstrengeling genoemd en het is sinds de theorie geformuleerd werd, een van de meest besproken elementen van de kwantumfysica geweest. Albert Einstein sprak over 'spookachtige actie vanop afstand' en Erwin Schrödinger zei dat het het belangrijkste kenmerk van kwantummechanica was.

De laureaten van dit jaar hebben deze verstrengelde kwantumtoestanden onderzocht en hun experimenten hebben de basis gelegd van de revolutie die momenteel plaatsvindt in de kwantumtechnologie. 

Ver van onze dagelijkse ervaringen

Als twee deeltjes zich in verstrengelde kwantumtoestanden bevinden, kan iemand die een eigenschap van een deeltje meet, onmiddellijk het resultaat vaststellen van een gelijkaardige meting van het andere deeltje, zonder dat te moeten nakijken. 

Op het eerste gezicht is dit misschien niet zo vreemd. Als we denken aan ballen in plaats van deeltjes, kunnen we ons een experiment inbeelden waarin een zwarte bal een richting wordt uitgestuurd en een witte bal in de tegengestelde richting. Een waarnemer die een bal vangt en ziet dat die wit is, kan onmiddellijk zeggen dat de bal die de andere richting uitgegaan is, zwart is. 

Wat kwantumfysica echter zo bijzonder maakt, is dat haar equivalenten van de ballen geen vastgelegde toestanden hebben tot ze gemeten zijn. Het is alsof de twee 'kwantumballen' grijs zijn, tot op het ogenblik dat iemand naar een van de ballen kijkt. Dan kan die willekeurig ofwel al het zwart opnemen waar het paar ballen toegang toe heeft, of hij kan wit zijn. De andere bal wordt onmiddellijk de tegenovergestelde kleur. 

Maar hoe kunnen we weten dat de ballen niet ieder een vastgelegde kleur hadden van in het begin? Zelfs al zien ze grijs, misschien hadden ze een verborgen label in zich dat zegt welke kleur ze moeten worden als er iemand naar hen kijkt. 

Een belangrijk deel van het onderzoek dat dit jaar de Nobelprijs heeft gekregen, heeft te maken met een theoretisch inzicht dat de ongelijkheden van Bell wordt genoemd. Die ongelijkheden maken het mogelijk om een onderscheid te maken tussen de onbepaaldheid van de kwantummechanica en een alternatieve beschrijving die gebruik maakt van geheime instructies of 'verborgen variabelen'. 

Experimenten hebben aangetoond dat de natuur zich gedraagt zoals voorspeld werd door de kwantummechanica. De ballen zijn bij wijze van spreken grijs, zonder geheime informatie, en toeval bepaalt welke bal zwart wordt en welke wit in een experiment.

Bestaat kleur als er niemand kijkt? De verstrengelde paren van de kwantummechanica kunnen vergeleken worden met een machine die ballen met een tegengestelde kleur in tegengestelde richtingen gooit. Als Bob een bal vangt en ziet dat die zwart is, weet hij onmiddellijk dat Alice een witte bal gepakt heeft. In een theorie die verborgen variabelen gebruikt, hebben de ballen altijd verborgen informatie bevat over welke kleur ze moeten vertonen. Kwantumfysica zegt echter dat de ballen grijs waren, tot iemand er naar keek, waarop een bal willekeurig wit werd en de andere zwart. De ongelijkheden van Bell tonen aan dat er experimenten bestaan die een onderscheid kunnen maken tussen deze gevallen. Dergelijke experimenten hebben bewezen dat de beschrijving van de kwantummechanica juist is.
©Johan Jamestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

De belangrijkste rijkdom van de kwantummechanica

De verstrengelde kwantumtoestanden bieden potentieel voor nieuwe manieren om informatie op te slaan, over te brengen en te verwerken. 

Er gebeuren interessante dingen als de deeltjes van een verstrengeld paar tegengestelde richtingen uitgaan en eentje ervan een derde deeltje ontmoet op zo'n manier dat ze verstrengeld raken. Ze komen dan in een nieuwe gedeelde toestand. Het derde deeltje verliest zijn identiteit, maar zijn oorspronkelijke eigenschappen zijn nu overgedragen op het solo deeltje van het originele paar. 

Deze manier van het overdragen van een onbekende kwantumtoestand van één deeltje naar een ander wordt 'kwantumteleportatie' genoemd. Dit soort van experiment werd voor het eerst uitgevoerd in 1997 door Anton Zeilinger en zijn collega's. 

Opmerkelijk is dat kwantumteleportatie de enige manier is om kwantuminformatie van één systeem naar een ander over te brengen zonder er een deel van te verliezen. Het is volkomen onmogelijk om al de eigenschappen van een kwantumsysteem te meten en dan die informatie naar een ontvanger te sturen die het systeem wil reconstrueren. 

Dat komt doordat een kwantumsysteem verschillende versies tegelijk kan bevatten van elke eigenschap, waarbij elke versie een bepaalde waarschijnlijkheid heeft om op te duiken bij een meting. Zodra de meting uitgevoerd is, blijft er nog slechts één versie over, namelijk de versie die gelezen werd door het meetinstrument. De andere versies zijn verdwenen en het is onmogelijk om er ooit iets over te weten te komen. 

Gehele, onbekende kwantumeigenschappen kunnen echter overgedragen worden door kwantumteleportatie en ze verschijnen intact in een ander deeltje. De prijs die daarvoor betaald wordt, is dat ze vernietigd worden in het oorspronkelijke deeltje.

Eens dit experimenteel aangetoond was, was de volgende stap twee paren van verstrengelde deeltjes te gebruiken. Als één deeltje uit elk paar op een bepaalde manier samengebracht wordt met een deeltje uit het andere paar, kunnen de twee niet verstoorde deeltjes in elk paar met elkaar verstrengeld raken, ook al zijn ze nooit met elkaar in contact gekomen. Deze uitwisseling van verstrengelingen werd voor het eerst gedemonstreerd in 1998 door de onderzoeksgroep van Zeilinger. 

Verstrengelde paren van fotonen, lichtdeeltjes, kunnen in tegenovergestelde richtingen uitgestuurd worden door optische vezels en fungeren als signalen in een kwantumnetwerk. Verstrengeling tussen twee paren maakt het mogelijk de afstand te vergroten tussen de knooppunten in zo'n netwerk. 

Er is immers een grens aan de afstand die fotonen kunnen afleggen door een vezel vooraleer ze geabsorbeerd worden of hun eigenschappen verliezen. Gewone lichtsignalen kunnen onderweg versterkt worden, maar dat lukt niet met verstrengelde paren. Een versterker moet het licht vangen en meten en dat verbreekt de verstrengeling. Uitwisseling van verstrengeling betekent dat het mogelijk is de oorspronkelijke toestand verder te sturen, over langere afstanden dan anders mogelijk zou geweest zijn.  

Verstrengelde deeltjes die elkaar nooit ontmoet hebben. Twee paren van verstrengelde deeltjes worden uit verschillende bronnen uitgezonden. Eén deeltje van een paar wordt op een speciale manier bij een deeltje van het andere paar gebracht, zodat ze verstrengelen. De twee andere deeltjes (1 en 4 in dit diagram) zijn dan ook verstrengeld. Op deze manier kunnen twee deeltjes die nooit met elkaar in contact zijn gekomen, verstrengeld worden.
©Johan Jamestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Van paradox naar ongelijkheid

Deze vooruitgang berust op veel jaren van onderzoek en ontwikkeling. Het begon met het verbijsterende inzicht dat kwantummechanica toelaat dat een enkel kwantumsysteem verdeeld wordt in delen die gescheiden zijn van elkaar maar zich nog steeds gedragen als één enkele eenheid.

Dit gaat in tegen al de gebruikelijke ideeën over gevolg en oorzaak en de aard van de realiteit. Hoe kan iets beïnvloed worden door een gebeurtenis die ergens anders gebeurt zonder dat het bereikt wordt door een of ander signaal van die gebeurtenis? Een signaal kan niet sneller dan het licht gaan - maar in de kwantumfysica lijkt er geen signaal nodig te zijn om de verschillende delen van een uitgebreid systeem te verbinden.

Albert Einstein beschouwde dit als onwerkbaar en onderzocht het fenomeen, samen met zijn collega's Boris Podolsky en Nathan Rosen. In 1935 presenteerden ze hun redenering hierover: kwantummechanica lijkt geen volledige beschrijving van de realiteit te bieden. Dit is men de EPR-paradox gaan noemen, naar de initialen van de onderzoekers.

De vraag was of er een volledigere beschrijving van de wereld zou kunnen bestaan, waarvan kwantummechanica slechts een deel zou zijn. Dit zou bijvoorbeeld kunnen werken doordat deeltjes altijd verborgen informatie meedragen over wat ze zullen tonen als resultaat van een experiment. Dit soort van informatie wordt vaak 'lokale verborgen variabelen' genoemd. 

De Noord-Ierse fysicus John Stewart Bell, die aan de Europese deeltjesversneller CERN werkte, bekeek het probleem van naderbij. Hij ontdekte dat er een soort experiment bestaat dat kan uitmaken of de wereld uitsluitend kwantummechanisch is of dat er een andere beschrijving zou kunnen bestaan met verborgen variabelen. Als dit experiment vaak herhaald wordt, vertonen alle theorieën met verborgen variabelen een correlatie tussen de resultaten die lager moet liggen of hoogstens gelijk moet zijn aan een bepaalde waarde. Dat wordt de ongelijkheid van Bell genoemd. 

Kwantummechanica kan die ongelijkheid echter schenden. Ze voorspelt hogere waarden voor de correlatie tussen de resultaten dan mogelijk is met verborgen variabelen. 

Clauser bedenkt een experiment - met een achterpoortje

John Clauser gebruikte calciumatomen die verstrengelde fotonen konden uitzenden nadat hij ze met een speciaal licht bestraald had. Hij plaatste een filter aan elke kant om de polarisatie van de fotonen te meten. Na een reeks metingen was hij in staat aan te tonen dat ze een schending vormden van een ongelijkheid van Bell.
© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

John Clauser raakte geïnteresseerd in de kwantummechanca als student in de jaren 60. Nadat hij over het idee van John Bell gelezen had, kreeg hij het niet meer uit zijn hoofd en uiteindelijk waren hij en drie andere onderzoekers in staat een voorstel te presenteren voor een realistisch experiment dat gebruikt kan worden om een ongelijkheid van Bell te testen. 

Het experiment draait rond het uitsturen van een paar verstrengelde deeltjes in tegengestelde richtingen. In de praktijk weren fotonen gebruikt die een eigenschap hebben die polarisatie genoemd wordt. Als de deeltjes uitgezonden worden, is de richting van de polarisatie niet bepaald en het enige dat zeker is, is dat de deeltjes een parallele polarisatie hebben. 

Dit kan onderzocht worden met een filter die polarisatie doorlaat die georiënteerd is in een bepaalde richting. Dat is het effect dat ook gebruikt wordt in veel zonnebrillen, die licht blokkeren dat in een bepaald vlak gepolariseerd is, bijvoorbeeld door door water weerkaatst te zijn. 

Als de beide deeltjes in het experiment naar filters gestuurd worden die in hetzelfde vlak georiënteerd zijn en eentje geraakt er door, dan zal ook het andere deeltje door de filter gaan.Als de filters in rechte hoeken tegenover elkaar geplaatst zijn, zal een deeltje tegengehouden worden terwijl het andere er door zal gaan. De truc is metingen te verrichten met de filters in verschillende posities met schuine hoeken, aangezien dan de resultaten kunnen variëren: soms gaan beide deeltjes door de filters, soms slechts eentje en soms geen enkel. Hoe vaak beide deeltjes door de filters geraken, hangt af van de hoek tussen de filters. 

Kwantummechanica leidt tot een correlatie tussen de metingen. De waarschijnlijkheid dat een deeltje door de filter geraakt, hangt af van de hoek van de filter die zijn partners polarisatie getest heeft aan de andere kant van de opstelling van het experiment. Dat betekent dat de resultaten van de beide metingen, bij sommige hoeken, een ongelijkheid van Bell schenden en een sterkere correlatie hebben dan ze zouden hebben als de resultaten bepaald zouden worden door verborgen variabelen en reeds vastgelegd waren toen de deeltjes werden uitgestraald.

Clauser begon onmiddellijk te werken aan het uitvoeren van het experiment. Hij bouwde een apparaat dat twee verstrengelde fotonen uitstraalde per keer, elk deeltje naar een andere filter die de polarisatie testte. In 1972 was hij, samen met doctoraatsstudent Stuart Freedman, in staat aan te tonen dat het resultaat een duidelijke schending was van een ongelijkheid van Bell en overeenstemde met de voorspellingen van de kwantummechanica. 

Aspect sluit een belangrijke achterpoort

Aspect ontwikkelde dit experiment, waarbij hij een nieuwe manier gebruikte om de atomen te exciteren zodat ze meer verstrengelde fotonen uitstraalden. Hij kon ook wisselen tussen verschillende posities zodat het systeem niet op voorhand informatie zou bevatten, wat de resultaten zou kunnen beïnvloeden.
© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

De volgende jaren bleven Clauser en andere natuurkundigen het experiment bespreken en ook zijn beperkingen. Een van die beperkingen was dat het experiment algemeen genomen niet erg efficiënt was, zowel wat het produceren als het opvangen van de deeltjes betrof. De meting was ook vooraf ingesteld, met de filters in vaste hoeken.

Er waren dus nog achterpoortjes, waardoor een waarnemer de resultaten in vraag kon stellen: wat als de opstelling van het experiment op een of andere manier de deeltjes selecteerde die net een sterke correlatie hadden en de andere niet opspoorde? Als dat het geval was, konden de deeltjes nog steeds verborgen informatie dragen.

Deze achterpoort sluiten was niet gemakkelijk, omdat verstrengelde kwantumtoestanden zo fragiel zijn en moeilijk te beheersen. De Franse doctoraatsstudent Alain Aspect liet zich daardoor echter niet intimideren en hij bouwde een nieuwe versie van de opstelling die hij nog verschillende keren verfijnde. In dit experiment kon hij de fotonen registreren die door de filter gingen en ook de fotonen die dat niet deden. Dat betekende dat er meer fotonen gedetecteerd werden en dat de resultaten beter waren. 

In de laatste versie van zijn experiment was hij in staat de fotonen te sturen naar twee verschillende filters die in verschillende hoeken opgesteld stonden. Een spitsvondigheid was een mechanisme dat de richting van de verstrengelde fotonen omkeerde nadat ze gecreëerd waren en uitgezonden door de bron. De filters bevonden zich op slechts zes meter en de omkering moest dus gebeuren in een paar miljardsten van een seconde. Als informatie over bij welke filter het foton zou toekomen, een invloed had op hoe het uitgezonden werd, zou het nu niet bij die filter in kwestie toekomen. Noch kon informatie over de filter aan één kant van het experiment de andere kant bereiken en daar de metingen beïnvloeden. 

Op die manier sloot Aspect een belangrijke achterpoort en kwam hij tot een zeer duidelijk resultaat: kwantummachanica is correct en er zijn geen verborgen variabelen.   

Ook Zeilinger voerde later nog testen uit van ongelijkheden van Bell. Hij creëerde verstrengelde paren van fotonen door een laser te richten op een speciaal kristal en gebruikte willekeurige getallen om te schakelen tussen verschillende meetopstellingen. Eén experiment gebruikte signalen van verafgelegen sterrenstelsels om de filters te controleren en te verzekeren dat de signalen elkaar niet zouden kunnen beïnvloeden.
© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Het tijdperk van kwantuminformatie

Deze en andere experimenten hebben de basis gelegd voor het huidige intense onderzoek naar kwantuminformatie. 

In staat zijn kwantumtoestanden en al hun lagen van eigenschappen te manipuleren en te beheersen, geeft ons toegang tot instrumenten met een onverwacht potentieel. Dit is de basis voor kwantumcomputing, de overdracht en het opslaan van kwantuminformatie en voor algoritmen voor kwantumversleuteling. Systemen met meer dan twee deeltjes worden nu gebruikt, iets wat Anton Zeilinger en zijn collega's als eersten onderzochten. 

Deze steeds verfijndere werktuigen brengen realistische toepassingen steeds dichterbij. Verstrengelde kwantumtoestanden zijn nu aangetoond tussen fotonen die tientallen kilometers door optische vezels gestuurd zijn en tussen een satelliet  en een grondstation. Op korte tijd hebben onderzoekers in heel de wereld veel nieuwe manieren gevonden om de meest krachtige eigenschap van de kwantummechanica te gebruiken. 

De eerste kwantumrevolutie bezorgde ons transistors en lasers en nu treden we een nieuw tijdperk binnen dankzij de hedendaagse instrumenten om systemen van verstrengelde deeltjes te manipuleren. 

AFP or licensors

Nobelprijzen

Het is Nobelprijsweek. Deze week wordt elke dag een winnaar wereldkundig gemaakt in een van de volgende thema’s: geneeskunde (gisteren), natuurkunde (vandaag), scheikunde (morgen), literatuur (donderdag), vrede (vrijdag) en economie (volgende week maandag). De eigenlijke uitreiking is pas op 10 december: de sterfdag van de Zweedse industrieel Alfred Nobel naar wie de prijzen genoemd zijn en die overigens ook het dynamiet heeft uitgevonden.

De prestigieuze prijzen worden sinds 1901 uitgereikt en waren een initiatief van Nobel. Hij liet in zijn testament opnemen dat na zijn overlijden er in vijf categorieën prijzen moesten worden uitgedeeld aan degene die "in het afgelopen jaar het grootste nut hebben geleverd voor de mensheid". Sinds de jaren 60 geeft de Zweedse nationale bank ook een economische prijs die vernoemd is naar Nobel.

Met de prijs is naast veel prestige, een diploma en een medaille ook een geldbedrag gemoeid. De winnaar(s) van elke categorie krijgt dit jaar een bedrag van 10 miljoen Zweedse kroon, zowat 918.000 euro. Het geld is voor alle duidelijkheid bedoeld voor vervolgonderzoek.

Bekijk - In deze archiefvideo leggen we in 1 minuut uit wat de Nobelprijzen zijn:

Videospeler inladen...

Meest gelezen