Waar zouden we zijn zonder kwantummechanica?

7 minuten leestijd

© Wikimedia/Varsha Y S

Waar zouden we zijn zonder kwantummechanica?

Betacanon

Je leest nu

Waar zouden we zijn zonder kwantummechanica?

    • Deel op

    • Gekopieerd
  • 21
  • 4388
Bekijk de collectie Bètacanon30 verhalen

De kwantummechanica beschrijft de kleinste elementen die er zijn, de bouwstenen van alles om ons heen. Die gedragen zich op een manier die we nauwelijks kunnen bevatten: ze nemen elkaars tegengestelde toestand in en kunnen op meerdere plekken tegelijkertijd zijn. Maar de toepassingen van die principes zijn een stuk minder abstract. Zonder kwantummechanica geen smartphones, glasvezelkabels en digitale camera's.

Samengesteld door Hermen Visser

Wie bedacht de kwantummechanica?

De kwantummechanica beschrijft de wetten die gelden in de wereld van deeltjes die kleiner zijn dan atomen. Bezien vanuit de wereld van alledag zijn die absurd. In 1900 is het Max Planck die de eerste stap zet. In tegenstelling tot wat men op dat moment denkt, oppert hij dat licht niet continu is (zoals de lange wijzer van de klok beweegt), maar bestaat uit kleine pakketjes (zoals de tikjes van de secondewijzer). Hij noemt deze pakketjes kwanta (hoeveelheden). Albert Einstein gaat een stap verder door te stellen dat licht uit deeltjes (fotonen) bestaat.

Deel alinea

Niels Bohr geeft kwanta een plek in het atoommodel van Rutherford. Hierin bestaat een atoom uit een positief geladen kern met daaromheen een wolk negatief geladen elektronen. Bohr stelt dat de elektronen in vaste banen rond de atoomkern draaien. Als elektronen energie verliezen of opnemen, verspringen ze een baan naar binnen of naar buiten - ze maken kwantumsprongen.

Wat is kwantummechanica en wat hebben we eraan? Waldemar Torenstra legt de basis uit.

Bohr ziet licht als golf, terwijl Einstein het als deeltjes ziet. Het is in 1924 Louis-Victor de Broglie die bedenkt dat licht tegelijk uit deeltjes én golven bestaat. Dat idee past Erwin Schrödinger in het atoommodel van Bohr. Hij stelt dat de elektronen in golven rond de kern bewegen. Het is onmogelijk om de exacte positie van een elektron te weten, maar er zijn wel banen waarvan het waarschijnlijker is dat het elektron zich erin bevindt. Deze onzekerheid kan zelfs Einstein slecht verkroppen: ‘God dobbelt niet,’ verwoordt hij zijn verzet.

Bestaat licht uit deeltjes of golven?

Het antwoord: allebei. Dat licht uit golven én deeltjes bestaat, kun je bewijzen met het tweespletenexperiment. In dit experiment plaats je een plaat met twee verticale spleten voor een lichtdetector. Schijn je met een lamp op de plaat, dan zie je op de detector een zogenaamd interferentiepatroon. Dit patroon van lichte en donkere banen ontstaat doordat de lichtgolf zich in tweeën splitst bij de spleten. Vervolgens versterken (buiken) deze twee nieuwe golven elkaar of heffen elkaar op (knopen) en geven zo het streeppatroon.

Deel alinea

Het wordt gekker als je individuele fotonen afvuurt op de spleten. Als licht uit deeltjes bestaat, zou je twee strepen op de detector verwachten. Vergelijk het met een tennisballenkanon. Als je die voor een plaat met twee spleten zet, ketsen de meeste ballen af. De ballen die door de spleten gaan, komen slechts op twee plekken tegen de muur. Toch ontstaat in het geval van de individuele fotonen hetzelfde patroon als wanneer je met een lamp schijnt.

Helemaal bizar wordt het als je een detector in de plaat stopt die meet door welke van de twee spleten de fotonen gaan. Zet je deze detector aan, dan zie je op de lichtdetector erachter de twee strepen van het tennisballenkanon. Zet je deze detector uit, dan krijg je opnieuw het klassieke interferentiepatroon.

Licht ontstaat als atomen veel energie bevatten. Ze geven die energie af door licht uit te stralen.

Is Schrödingers kat dood of levend?

Om vat te krijgen op de kwantumwereld bedenkt de natuurkundige Erwin Schrödinger een beroemd gedachtenexperiment. Stel, je stopt een kat in een doos. In de doos zit ook een flesje met dodelijk gas waarvan de kans 50 procent is dat het binnen een uur opengaat. Na een uur kun je met geen mogelijkheid zeggen of de kat nog leeft. Hij bevindt zich in een superpositie van dood én levend tegelijk. Pas als je het deksel optilt, blijkt de kat dood óf levend.

Deel alinea

Superpositie treedt ook op in het tweespletenexperiment, stelt Schrödinger. Hij spreekt niet langer van exacte plekken van waar een deeltje is, maar van een waarschijnlijkheid dat het deeltje daar is. Deze mogelijke plekken en hun waarschijnlijkheden vertonen samen een golfpatroon. Tot het moment dat je meet, kun je stellen dat het deeltje op alle mogelijke plekken tegelijkertijd is (de kat is levend én dood). Pas als je meet, verschijnt het deeltje op de plek waar je het meet en storten alle andere mogelijkheden in (de kat is levend óf dood). De detector in de plaat met spleten dwingt een foton om een spleet te kiezen. Daarmee verdwijnen alle andere mogelijkheden.

Hoe werkt superpositie precies? Professor Leo Kouwenhoven legt het uit. 

Begrijp je dit niet? Je bevindt je in goed gezelschap. ‘Ik denk dat ik veilig kan zeggen dat niemand de kwantummechanica begrijpt,’ stelde natuurkundige en Nobelprijswinnaar Richard Feynman.

Wat is kwantumverstrengeling?

Het kan nog gekker dan superpositie. Niemand weet hoe ze het doen, maar verstrengelde deeltjes nemen elkaars tegengestelde toestand aan. Zodra je de een meet, weet je direct die toestand van de ander. Dit kost geen tijd, zelfs als het hele universum tussen de deeltjes zit. Dit fenomeen treedt bijvoorbeeld op bij de spin van elektronen.

Deel alinea
"Ik denk dat ik veilig kan zeggen dat niemand de kwantummechanica begrijpt."

Spin is een soort kompasnaaldje dat omhoog of omlaag wijst. Als je twee deeltjes met elkaar verstrengelt, hebben ze altijd een tegengestelde spin, zodat ze elkaars spin netto opheffen. Heeft deeltje A spin omhoog, dan heeft deeltje B spin omlaag. Vergelijk het met twee dozen met in elk een Schrödingers kat waarvan de een dood is als de ander leeft en andersom.

Nobelprijswinnaar Richard Feynman

Natuurkundige Robbert Dijkgraaf legt uit wat kwantumverstrengeling is. 

Bij verstrengeling doet afstand er niet toe. Je hebt bij beide deeltjes 50 procent kans om spin omhoog of omlaag te meten. Maar zodra je de spin van deeltje A vaststelt, weet je met 100 procent zekerheid die van deeltje B. Deeltje A is in staat zijn eigenschap te teleporteren naar deeltje B, dat vervolgens de tegenovergestelde eigenschap aanneemt. Of in de kattenvergelijking: je hebt 50 procent kans dat je in doos A een dode kat aantreft. Is dat zo, dan weet je met 100 procent zekerheid dat kat B leeft. Einstein noemde dit ‘Spooky action at a distance.’

Waar vind je kwantummechanica?

De natuur maakt al miljarden jaren gebruik van kwantummechanica. Een voorbeeld daarvan vind je in de bladeren van planten die aan fotosynthese doen. Invallende zonne-energie kan dankzij superpositie meerdere routes naar de plek waar het nodig is tegelijk verkennen en vindt zo direct de snelste. Dit zorgt ervoor dat planten heel efficiënt zonne-energie kunnen oogsten.

Deel alinea

Sinds we snappen hoe kwantummechanica werkt, is het toegepast in tal van apparaten die je elke dag tegenkomt. Neem bijvoorbeeld de lasers in cd-spelers, medische apparaten, de scanner van de kassière en telecommunicatie. In een laser springen elektronen onder invloed van licht of elektrische stroom een baan om de kern naar buiten. Valt een elektron een baan terug, dan zendt hij twee fotonen uit. Botsen deze fotonen tegen andere aangeslagen elektronen, dan zenden zij ook twee fotonen uit met precies dezelfde eigenschappen (zelfde kleur, fase, richting en polarisatie) uit. Zo ontstaat een kettingreactie en krijg je een grote hoeveelheid gelijkgestemde fotonen. Die geven laserlicht de unieke eigenschappen.

Kun je met behulp van een laser een auto slopen? Het Klokhuis zoekt het uit.

Ook de chips in je computer en telefoon, kerncentrales, atoombommen, nanotechnologie, elektronenmicroscopen en MRI-scanners danken we aan het begrip van de wereld op het niveau van de kleinste deeltjes. Zonder kwantummechanische verschijnselen zou de wereld er heel anders uitzien.

Wat is de kwantumcomputer?

Kwantumcomputers maken gebruik van de twee eerdergenoemde kwantumeffecten, superpositie en verstrengeling. De potentie hiervan is enorm. Een gewone computer werkt met bits die twee waarden kunnen aannemen: één óf nul. Wil je een computer twee keer sneller maken, dan moet je het aantal bits verdubbelen. In een kwantumcomputer zitten qubits. Dit zijn kwantummechanische bits die tegelijkertijd nul én één kunnen zijn. Het toevoegen van één enkele qubit maakt een kwantumcomputer twee keer zo snel.

Deel alinea

© Wikimedia/D-Wave Systems

Deze chip is ontwikkeld als onderdeel van een kwantumcomputer.

Een kwantumcomputer kan berekeningen aan die voor een computer onmogelijk zijn. Om de weg uit een doolhof of de snelste route tussen honderd adressen te vinden, moet een computer alle mogelijke routes één voor één verkennen. Een kwantumcomputer kan alle opties tegelijk berekenen en direct met het antwoord komen. Kost het een computer eeuwen om een ingewikkeld wachtwoord te kraken, een kwantumcomputer lost het direct op. Tegelijk kan de kwantumcomputer met behulp van verstrengeling communicatie zo veilig maken dat de wetten van de natuur kraken onmogelijk maken.

Waarom is een kwantumcomputer zoveel sneller dan een gewone computer? 

De huidige prototypes van de kwantumcomputer hebben nog onvoldoende qubits om bruikbaar te zijn. Je telefoon rekent sneller. Toch investeren grote techbedrijven als Amazon, Google en Microsoft flink. Ze willen de rekenkracht van de kwantumcomputer via de cloud verhuren.

Welke rol speelt de Nederlandse wetenschap?

Nederland speelt een speciale rol in de ontwikkeling van de kwantummechanica. Begin vorige eeuw eiste vooral de Universiteit Leiden een hoofdrol op. Door het baanbrekende werk van onder meer Pieter Zeeman, Hendrik Lorentz en Heike Kamerlingh Onnes regende het Nobelprijzen voor de natuurkunde in Leiden. In de stad staat nog steeds het Ehrenfesthuis, waarin natuurkundige Paul Ehrenfest mensen als Albert Einstein en Niels Bohr uitnodigde om de nieuwe kwantumtheorie te bediscussiëren.

Deel alinea

De laatste decennia valt vooral het onderzoek van de TU Delft op. Zo vonden de Delftse natuurkundige Leo Kouwenhoven en collega’s aanwijzingen voor het bestaan van het Majorana-fermion, een deeltje waar al 80 jaar naar wordt gezocht. Het Majorana-fermion is zeer stabiel en zou een goede basis kunnen zijn voor qubits. Ook kwantumverstrengeling werd voor het eerst in Delft experimenteel aangetoond. In 2015 slaagden Ronald Hanson en collega’s van het onderzoeksinstituut QuTech erin om twee elektronen met elkaar te verstrengelen op 1,28 kilometer afstand. Dit is een belangrijke stap naar een niet te hacken kwantuminternet waarmee informatie wordt geteleporteerd.

Nederlandse wetenschappers hebben een pioniersrol bij de ontwikkeling van de kwantumcomputer. 

De Delftse pioniersrol op het gebied van de kwantumcomputer overtuigde Microsoft ervan om er in 2016 een kwantumlaboratorium op te zetten. In het Station Q Delft werken Microsoft en de TU Delft samen aan het ontwikkelen van op Majorana-deeltjes gebaseerde qubits.

In het kort

    • De kwantummechanica beschrijft hoe de allerkleinste deeltjes zich gedragen. Verschillende wetenschappers, zoals Max Planck en Niels Bohr, leveren aan het begin van de 20ste eeuw een belangrijke bijdrage aan onze kennis op dat gebied.
    • Deeltjes kunnen zich op hetzelfde moment op verschillende plekken bevinden. Dat noemen we superpositie. Pas als je gaat meten, verschijnt het deeltje op de plek waar je het meet en zijn er geen andere mogelijkheden meer.
    • Een ander effect binnen de kwantummechanica is verstrengeling. Verstrengelde deeltjes nemen elkaars tegengestelde toestand aan. Zodra je het ene deeltje meet, weet je direct de toestand van het andere. 
    • Sinds we snappen hoe kwantummechanica werkt, is het toegepast in allerlei apparaten die je elke dag tegenkomt. Denk bijvoorbeeld aan smartphones, cd-spelers en digitale camera’s.
    • Onderzoekers zijn bezig met het ontwikkelen van kwantumcomputers, die gebruikmaken van superpositie en verstrengeling. Een kwantumcomputer kan in korte tijd berekeningen maken die voor een gewone computer onmogelijk zijn.

Deel dit venster

collection

Bètacanon

Bètaonderwerpen waar elke Nederlander iets van af zou moeten weten, met onder meer de oerknal, het periodiek systeem en de kwijlende honden van Pavlov.