De Nobelprijs voor Natuurkunde gaat dit jaar naar het trio Alain Aspect, John Francis Clauser en Anton Zeilinger. Daarmee drukt het Nobelprijscomité zijn waardering uit ‘voor experimenten met verstrengelde fotonen, het vaststellen van de schending van de ongelijkheden van Bell en het pionierswerk op het vlak van quantum-informatiewetenschap’.
Beeld: Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach
Max Planck in 1918, Albert Einstein in 1921, Niels Bohr in 1922, Louis de Broglie in 1929, Werner Heisenberg in 1932, Erwin Schrödinger en Paul Dirac in 1933, Wolfgang Pauli in 1945, Max Born in 1954: dat zowat elke grondlegger van de quantumfysica met een Nobelprijs aan de haal ging, zegt wel wat over de impact van deze theorie op de fysica in de eerste helft van de vorige eeuw.
Maar hoe kan zelfs honderd jaar na Bohr nog steeds een Nobelprijs uitgereikt worden voor onderzoek dat over de grondslagen van de quantumfysica gaat?
Onbepaaldheid, waarschijnlijkheid en verstrengeling
Volgens de gangbare interpretatie van de quantumfysica blijft de waarde van een eigenschap onbepaald tot je ze meet. Zolang je bijvoorbeeld de plaats van een elektron niet meet, blijft die onbepaald en kan je enkel waarschijnlijkheden berekenen om het elektron op een bepaalde plaats (rond de atoomkern) aan te treffen. Belangrijk voor een goed begrip van de quantumfysica is dat die onbepaaldheid en waarschijnlijkheid niet gewoon maar je eigen gebrek aan kennis etaleren, het elektron is als het ware ook ‘echt’ uitgesmeerd over alle mogelijke posities. De natuur zit fundamenteel probabilistisch in elkaar: ze berust op waarschijnlijkheid.
Nu volgt uit de wiskundige beschrijving van de quantumwereld dat er deeltjes moeten bestaan die onderling sterk verbonden zijn, ‘verstrengeld’ (in het Engels ‘entangled’). Dat houdt in dat ze niet zomaar onafhankelijk van elkaar een waarde kunnen aannemen voor energie, lading of andere fysische grootheden. Verstrengelde deeltjes komen ook effectief voor in de vrije natuur. Wetenschappers kunnen ze evenzeer gecontroleerd in het lab produceren.
‘God dobbelt niet’
Stel je voor dat je een verstrengeld paar deeltjes hebt. We beperken de verstrengeling gemakshalve tot twee deeltjes, een elektron en positron. Een positron is een deeltje dat in alles lijkt op een elektron, zij het met een (even grote maar) positieve lading. Verder kijken we naar een quantummechanische eigenschap, ‘spin’ genaamd. Het handige daaraan is dat het elektron en het positron slechts twee spinwaarden kunnen aannemen, +1/2 en -1/2, wat het verhaal een stuk eenvoudiger maakt. Bovendien zijn beide waarden even waarschijnlijk voor elk van beide deeltjes.
Einstein, die niets moest hebben van dat probabilistisch karakter van de natuur – samengebald in de slagzin ‘God dobbelt niet’ – bedacht een slim gedachte-experiment dat hij in 1935 publiceerde met zijn collega’s Podolsky en Rosen en dat de geschiedenis zou ingaan als de ‘EPR-paradox’. We formuleren het hier in de duidelijker geformuleerde versie van David Bohm uit 1951.
Zolang er niet gemeten wordt, hebben beide deeltjes nog geen bepaalde spinwaarde aangenomen en bevinden ze zich in een combinatie (‘superpositie’ in het jargon van de quantumfysica) van beide. Stel je nu voor dat je het elektron en het positron van elkaar verwijdert en ze – in een gedachte-experiment kan nu eenmaal veel – in tegengestelde richting door het heelal laat reizen tot ze lichtjaren van elkaar verwijderd zijn.
De vraag is dan wat er met het positron gebeurt op het ogenblik waarop je een spinmeting op het elektron uitvoert. Zolang de verstrengeling niet verbroken is, kunnen beide deeltjes niet onafhankelijk van elkaar een spinwaarde aannemen. Specifiek in dit voorbeeld moeten ze als verstrengeld paar samen altijd een spin van 0 hebben. We hebben dus maar twee mogelijkheden: een elektron met spin +1/2 en positron met -1/2, of omgekeerd.
Maar als je het elektron meet en spin +1/2 bekomt, moet het resultaat van die meting tot bij het positron geraken. Aangezien Einsteins speciale relativiteitstheorie niet toelaat dat informatie sneller dan het licht gaat, zou het positron pas jaren later ‘weten’ dat het spin -1/2 moet aannemen en zou het al die tijd in superpositie van waarden +1/2 en -1/2 blijven. Maar dat mag niet volgens de quantumfysica: het positron moet ogenblikkelijk waarde -1/2 aannemen om steeds een totale spin van 0 te garanderen.
Tenzij je gelooft in ‘spookachtige werking op afstand’, aldus Einstein, is quantumfysica daarom een onvolledige theorie. Er moet een ander mechanisme werkzaam zijn, iets als een voor de quantumfysica verborgen variabele, die al van meet af aan informatie bevat van het type ‘beste elektron, als jij gemeten wordt, ga je voor +1/2, en jij, positron, voor -1/2 – duidelijk?’.
Geniale twist
De EPR-paradox speelt een cruciale rol in de moeizame worsteling met de filosofisch-conceptuele betekenis van de quantumfysica. Als de theorie onvolledig is, hoef je geen rekening te houden met de conceptuele implicaties ervan. Het is immers niet veel meer dan een tijdelijk rekenmodel, in afwachting van de ontdekking van een onderliggende en volledige theorie.
Het is dan ook niet verwonderlijk dat deze paradox deel uitmaakte van het jarenlange debat tussen Einstein en Bohr over de grondslagen van de quantumfysica, een gedachtewisseling die een aanvang kende op het Solvaycongres in Brussel van 1927.
Het zou wellicht bij een wetenschapsfilosofische discussie gebleven zijn, ware het niet dat de Noord-Ierse fysicus John Bell in 1964 een geniale twist gaf aan het verhaal. Hij speelde het klaar om een theorema te bedenken dat je in principe toelaat om experimenteel te kunnen beslechten of Einstein gelijk heeft (‘onvolledige theorie’) dan wel Bohr (‘volledige theorie’). Zijn theorema mondde uit in ongelijkheidsrelaties tussen meetbare grootheden. Als Einstein gelijk heeft, moeten de ongelijkheden experimenteel bevestigd worden, bij schending van de ongelijkheden triomfeert de quantumfysica.
Van filosofie naar lab
Helaas voor Bell was het in de jaren 1960 nog niet mogelijk om zijn cruciale experimentele test daadwerkelijk in het lab uit te voeren. Maar dat is precies waar onze eerste Nobelprijswinnaar, Amerikaan John F. Clauser, in het verhaal komt. Samen met Friedman voerde hij in 1972 de eerste experimentele test uit. De sprong van filosofisch debat naar empirisch toetsbare voorspelling was een feit. Resultaat: de quantumfysica heeft gelijk!
Maar de tegenstanders gaven zich nog niet gewonnen na deze al bij al vrij rudimentaire test. Onze tweede held, de Fransman Alain Aspect, zorgde in 1982 voor een volgende mijlpaal: ook in sterk verbeterde experimentele opstellingen, bleef de quantumfysica aan de winnende hand.
Toch eindigt ook daar de controverse niet helemaal. In elke proefopstelling blijft wel ergens een achterpoortje openstaan dat de aanhangers van ‘er zijn verborgen variabelen’ de kans biedt om te ontsnappen aan de nederlaag. Tot op vandaag blijven steeds betere experimenten de quantumfysica gelijk geven, terwijl de kans om via een achterpoortje te ontsnappen steeds kleiner wordt en het groepje ‘er zijn verborgen variabelen’ steeds verder uitgedund raakt.
Van lab naar technologische toepassing
Maar waarom moesten Clauser en Aspect dan veertig tot vijftig jaar wachten op het Zweeds eremetaal? Omdat het pas de afgelopen twintig jaar duidelijk geworden is dat deze conceptuele kwestie ook tot concrete toepassingen leidt.
Dat brengt ons bij de derde en laatste winnaar, Oostenrijker Anton Zeilinger. Na de sprong van wetenschapsfilosofie naar het lab, bewerkstelligde hij de even cruciale sprong naar technologisch nut. Samen met zijn onderzoeksgroep aan de universiteit van Wenen, was hij in 1998 de eerste die quantumcryptografie realiseerde met behulp van verstrengelde fotonen. Quantumcryptografie wordt gezien als een technologische doorbraak op het vlak van de beveiligde verzending van gegevens.
Zeilinger heeft ook wezenlijk bijgedragen tot het ontstaan van de quantum-informationwetenschap, met onder meer pionierswerk op het vlak van het exotisch klinkende quantumteleportatie. Daarbij wordt informatie van een object getransfereerd naar een andere plaats. Ook de uitwisseling van verstrengeling (‘entanglement swapping’) is een technologische vernieuwingen die uit de koker van Zeilinger komt. Hierbij wordt een verstrengelde toestand geteleporteerd, waardoor je een heus quantumnetwerk kan bouwen dat in de toekomst moet toelaten om quantumcomputers met elkaar te verbinden.
Zie ook:
Het spookt in de quantumwereld | EOS Wetenschap
China test kwantumverstrengeling | EOS Wetenschap
Halloween in de kwantumfysica – Deel 1: Einstein ziet spoken | EOS Wetenschap
Halloween in de kwantumfysica – Deel 2: Spoken bestaan! | EOS Wetenschap
