Skip to content
Home » Speelt God dobbelstenen? Een opmerking over de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2022

Speelt God dobbelstenen? Een opmerking over de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2022

    Speelt God dobbelstenen?  Een opmerking over de Nobelprijs voor de natuurkunde in 2022

    Eens beklaagde Albert Einstein zich beroemd tegen een vriend: “Geloof je echt dat de maan er niet is als je er niet naar kijkt?” Dit is natuurlijk diep in strijd met onze dagelijkse ervaringen. Toch wordt die vraag zelfs nu nog gesteld, beantwoord, opnieuw gesteld, opnieuw beantwoord. Zozeer zelfs dat drie natuurkundigen – John Clauser, Alain Aspect en Anton Zeilinger – dit jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde hebben gewonnen voor hun zoektocht naar een antwoord daarop.

    De kwantummechanica, in haar ongerepte theoretische kader, bestaat al meer dan een eeuw. Maar het onderzoek naar de kwantummechanica is nu actiever dan honderd jaar geleden. Dit komt omdat veel vrij eenvoudige feiten over kwantummechanica pas in de jaren tachtig door experimenten konden worden bewezen. Rond het jaar 2000 was het veld echter volledig veranderd door experimentele vooruitgang. Het verandert nu sneller dan ooit.

    Er is iets dat kwantumverstrengeling wordt genoemd, het belangrijkste ingrediënt achter het werk van de Nobelprijswinnaars van dit jaar. Ze voerden metingen uit waarvan Einstein dacht dat ze niet mogelijk waren, en het inzicht dat we uit deze experimenten hebben gekregen, is cruciaal voor quantumcomputing van vandaag.

    Wat is er zo belangrijk aan dit werk? Wat hebben ze bewezen en waarom werd het als een Nobelprijs beschouwd?

    Vóór de komst van de kwantummechanica dachten we dat de wereld deterministisch was – dat wil zeggen, als we van tevoren voldoende informatie over het systeem wisten, konden we in principe alles over het systeem in de toekomst en in het verleden bepalen. In dit verband heeft Einstein de beroemde uitspraak gedaan: ‘God dobbelt niet’. Dit was zeer dwingend. De bewegingsvergelijkingen van Newton hebben tenslotte ongelooflijk goed gewerkt, dus waarom zou dit principe niet op alles van toepassing zijn? Helaas voor deterministen kwamen we uiteindelijk kwantummechanica tegen, en kwantummechanica speelt niet goed voor determinisme. Het is van nature probabilistisch, en let wel, zeer nauwkeurig, volgens een bepaalde standaard.

    Albert Einstein staat erom bekend dat hij twijfels heeft over de kwantummechanica. Hij vermoedde dat de kwantummechanica onmogelijk alles over de natuur zou kunnen verklaren, en hij zei dat er iets ontbrak. In de kwantummechanica kunnen we niet zeggen hoe een meting zal uitpakken. Hoe waarschijnlijk het is dat iets zal gebeuren, kunnen we alleen maar raden (waarschijnlijkheden). Zonder kwantummechanica zou ik kunnen zeggen dat als we een deeltjeskanon afschieten, de deeltjes op een bepaalde plaats zullen landen. Met kwantummechanica kan ik alleen maar zeggen dat ze een bepaald percentage van de tijd op een bepaalde plaats zullen landen en een kleine kans hebben om overal elders te zijn.

    Laten we zeggen dat je twee elektronenspins hebt die zowel in spin-up als spin-down kunnen zijn. De verstrengeling van deze twee elektronen produceert een interessante toestand waarin als een van de elektronen wordt gemeten in de spin-up toestand, de andere in de spin-down toestand moet zijn. Dit is een gevolg van de aard van kwantumobjecten. Elk elektron kan worden beschreven als een golffunctie (wiskundige vorm van de lamp van Alladin), dat wil zeggen een andere golffunctie voor elk deeltje. Wanneer u een golffunctie meet, stort deze in tot een enkele toestand. Dus door te meten vernietigen we de golffunctie. Wanneer twee deeltjes verstrengeld zijn, worden ze niet beschreven door twee golffuncties, maar door dezelfde golffunctie. Dus als je een van de elektronen meet, stort de golffunctie voor beide deeltjes in. Nu is hier de kern van het gedachte-experiment. Wat zou er gebeuren als je twee van deze verstrengelde deeltjes zou nemen en ze vervolgens op grote afstand van elkaar zou scheiden? Laten we zeggen dat ze werden gescheiden door enkele lichtseconden. Als je in deze toestand een van de elektronentoestanden zou kunnen meten, bijvoorbeeld in spin-up, dan zou het andere elektron ogenblikkelijk spin-down worden, wat de lichtsnelheid lijkt te breken en daarom verboden is (omdat de lichtsnelheid een universele constante). Einstein noemde deze ineenstorting van de golffunctie ‘spookachtige actie op afstand’. Hij dacht dat er enkele “verborgen variabelen” moesten zijn die de deeltjes van tevoren wisten over hun toestand, zodat geen informatie sneller dan het licht kon reizen.

    In wezen suggereerde hij dat voordat de deeltjes werden gescheiden, ze besloten welke zou worden spin-up en welke zou worden spin-down. Dit werd allemaal gesuggereerd in een studie uit 1935, geschreven door Albert Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen (vaak aangeduid als de “EPR-paper”). In dit artikel stellen ze dat kwantummechanica niet genoeg is om uit te leggen hoe de natuur werkt, dus het kan niet compleet zijn. Zij waren de eersten die zich realiseerden hoe belangrijk “verstrengelde” deeltjes zijn voor het begrijpen van de kwantummechanica. Dit zou erg belangrijk worden en leiden tot technologieën zoals kwantumteleportatie.

    pande-graph-2Bron: https://inspirehep.net/literature/42441

    Kijk naar deze grafiek, die laat zien hoe vaak de krant door de jaren heen is geciteerd. Tot het midden van de jaren zestig gebeurt er niet veel. Wat brachten de jaren zestig dan? Toen kwam deeltjesfysicus John Bell op de zaak. Bell werkte bij CERN. Hij begon zich af te vragen of een theorie met verborgen variabelen altijd dezelfde resultaten kon geven als de kwantummechanica vanwege het EPR-papier. Bell suggereerde dat er inderdaad een manier was om te testen of verborgen variabelen waar waren of niet. Deze test zou bekend komen te staan ​​als ‘de ongelijkheid van Bell’. Dat was echter gewoon wiskunde. Nu was de vraag: kan men een meting doen waarin de ongelijkheid van Bell wordt doorbroken en verborgen variabelen onjuist blijken te zijn? Of passen de metingen altijd bij een verklaring op basis van een verborgen variabele, die kwantummechanica zou uitsluiten?

    Stuart Freedman en John F. Clauser van de University of California in Berkeley deden het eerste experiment om dit uit te vinden in 1972. Ze ontdekten dat de ongelijkheid van Bell was doorbroken, wat aantoonde dat de kwantumtheorie juist was. Dit resultaat was een tijdje een beetje controversieel omdat het geen enorme impact had op de statistieken en het liet een paar “mazen” achter die konden worden gebruikt om verborgen variabelen in overeenstemming te brengen met waarnemingen. U zou bijvoorbeeld geen “spookachtige actie” nodig hebben om correlaties in meetresultaten te verklaren als de ene detector de tijd had om de andere detector te beïnvloeden. Maar tegen het einde van de jaren zeventig hadden natuurkundigen geleerd hoe ze afzonderlijke fotonen konden maken en vinden, wat fundamentele eenheden van licht zijn. Dit maakte de zaken veel gemakkelijker, en vanaf de jaren tachtig hebben een aantal experimenten, vooral die van Alain Aspect en zijn groep, de resterende hiaten gedicht en de statistische significantie verbeterd. De meeste natuurkundigen waren het er op dat moment over eens dat Einstein ongelijk had. Verborgen variabelen kunnen niet werken.

    Wat hier allemaal uit voortkwam, was het feit dat de kwantummechanica niet het enige was dat door deze experimenten werd bewezen. Natuurkundigen leerden hoe nuttig verstrengelde deeltjes zijn door de grenzen van hun experimenten te verleggen. Ze zijn gewoon iets totaal anders dan alles waar ze eerder mee te maken hadden gehad. En je kunt niet alleen twee deeltjes verstrengelen; je kunt een willekeurig aantal van hen verstrikken. En hoe meer je ze door elkaar haalt, hoe sterker de kwantumeffecten zijn. Dit heeft geleid tot veel verschillende toepassingen, zoals kwantumcryptografie. Dit is een manier om op een veilige manier berichten te verzenden met behulp van kwantumdeeltjes. De informatie is veilig omdat kwantumdeeltjes de vreemde eigenschap hebben dat als je meet wat hun eigenschappen zijn, ze veranderen. Daarom kun je, als je kwantumdeeltjes gebruikt om een ​​bericht te versleutelen, zien of iemand anders het leest. Verstrengelde deeltjes kunnen ook worden gebruikt om nauwkeurigere metingen te doen. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om materialen te bestuderen of velden zoals zwaartekracht of magnetisme te meten. Dit staat bekend als kwantummetrologie.

    Kwantumteleportatie is misschien wel het vreemdste dat hieruit is voortgekomen. Je kunt kwantuminformatie met verstrengelde toestanden verzenden met behulp van kwantumteleportatie, zelfs als je niet weet wat de kwantuminformatie is. Een vereenvoudigde en gemoderniseerde versie hiervan gaat ongeveer als volgt: deeltjesparen worden in verschillende richtingen gestuurd vanuit een gemeenschappelijke bron, gericht op twee waarnemers, Alice en Bob, elk gestationeerd aan tegenovergestelde uiteinden van het zonnestelsel. is het onmogelijk om de spin, een kwantumeigenschap van individuele deeltjes, te kennen voorafgaand aan de meting. Wanneer Alice een van haar deeltjes meet, merkt ze dat de spin omhoog of omlaag is. Haar resultaten zijn willekeurig, en toch, als ze meet, weet ze meteen dat het overeenkomstige deeltje van Bob omlaag moet zijn. Op het eerste gezicht is dit niet zo vreemd; misschien zijn de deeltjes als een paar schoenen – als Alice de juiste schoen krijgt, moet Bob de linker hebben. Maar onder de kwantummechanica zijn deeltjes niet zoals schoenen, en alleen wanneer ze worden gemeten, zetten ze zich neer op een draai van omhoog of omlaag. Merk op dat dit inderdaad het belangrijkste raadsel van de originele EPR was.

    In 1997 bereikten groepen onder leiding van Sandu Popescu en Anton Zeilinger de eerste succesvolle kwantumteleportatie. Ze doen het nu zelfs in de ruimte. Ik meen het echt. Anton Zeilinger maakte deel uit van een groep die in 2017 een kosmische Bell-test uitvoerde. De wetenschappers gebruikten telescopen op de Canarische Eilanden om hun willekeurige oordeel te vellen over detectorinstellingen op basis van sterren die zo ver weg aan de hemel staan ​​dat hun licht elkaar niet zou bereiken voor honderden jaren. Echter, de kwantummechanica kwam uiteindelijk toch als overwinnaar uit de strijd.

    Men kan kijken naar de verwijzingen naar de EPR-paper. Ze zijn nu hoger dan ooit. Quantumtechnologieën hebben veel potentieel waar we nu net iets over beginnen te leren. En dat is niet het enige belangrijke aan dit onderzoek. Het is ook belangrijk omdat het de grenzen verlegt van wat we weten. Het is een manier om over fundamenteel nieuwe dingen in de natuur te leren. Wie weet of Einstein misschien toch gelijk had, en kwantummechanica misschien niet het laatste woord. Onderzoek in de kwantummechanica gaat nu bijna zo hard dat het moeilijk bij te houden is. De kwantumdierentuin staat vol met informatie, optica, berekeningen, cryptografie, simulaties, metrologie, enz. Het heeft zelfs de grote filosofische vragen over hoe de kwantummechanica werkt eigenlijk.

    De tweede kwantumrevolutie verdiende zeker een Nobelprijs, en de winnaars, Anton Zeilinger, John F. Clauser en Alain Aspect, zijn de namen die er het meest prominent mee verbonden zijn. Misschien zullen we er binnenkort getuige van zijn of moeder natuur, wat Einstein als ‘God’ beschouwde, inderdaad een dobbelsteen speelt, of niet. Er staan ​​ons allemaal interessante tijden te wachten.

    (De auteur is een postdoctoraal onderzoeker aan de National Taiwan University in experimentele fysica van de gecondenseerde materie)

    .