Na de coronapandemie is thuiswerken populair gebleven. Het is bijvoorbeeld handig om tijdens het werk even de was uit de wasmachine te halen. Aan de andere kant is op kantoor zijn fijn voor overleggen en sociaal contact met collega’s. Stel je nou eens voor dat je op kantoor zou kunnen werken en tegelijkertijd thuis de was eruit kon halen. Klinkt als science-fiction? Niet in de wereld van de allerkleinste deeltjes, waar de wetten van de quantummechanica gelden. Een magische wereld die ik zo fascinerend vind dat ik me er in mijn natuurkundemaster in Delft volledig op heb gefocust. Helaas delen maar weinig mensen mijn interesse. Als ik erover vertel, haakt de ander meestal na twee zinnen af met: “Dit begrijp ik toch niet.”
Quantummechanica is ook niet makkelijk. Sterker nog, zoals fysicus Richard Feynman zei: “Als je denkt dat je quantummechanica begrijpt, dan heb je er niets van begrepen.” Toch kunnen we deze tak van de natuurkunde niet negeren. De snel ontwikkelende quantumtechnologie belooft ingrijpende veranderingen. Toekomstmuziek? Niet helemaal.
De eerste quantumrevolutie
De eerste quantumrevolutie vond plaats in de eerste helft van de 20ste eeuw met natuurkundigen als Albert Einstein, Max Planck en Niels Bohr. Ze introduceerden het idee dat energie voorkomt in even grote pakketjes – kwanta – en het concept dat licht zowel een golf als deeltje kan zijn. Deeltjes op quantumniveau bleken zich heel anders te gedragen, en met dit inzicht legden zij de basis voor veel van de technologieën die we vandaag als vanzelfsprekend beschouwen. Denk aan lasers, transistors en MRI-scanners – allemaal voortgekomen uit quantummechanica. Zonder quantum zouden we het nu ook zonder smartphones moeten doen. Quantumtechnologieën hebben onze manier van leven, communiceren en medische zorg dus al revolutionair veranderd.
Quantummechanica onderscheidt zich van de klassieke natuurkunde door onder andere superpositie en verstrengeling. Superpositie betekent dat een quantumdeeltje, zoals een elektron, zich in meerdere toestanden tegelijkertijd kan bevinden totdat het wordt gemeten. Stel je voor, twee vrienden zijn jarig en je wil ze allebei een mok geven voor hun verjaardag. Je haalt een rode en een blauwe mok en pakt ze apart in. Als je op het feestje aankomt, weet je niet meer welke mok in welke verpakking zit. Het cadeau is dan in een soort superpositie. Je vriend ontdekt pas welke kleur mok hij krijgt als hij de doos opent.
Verstrengeling wordt vaak aangeduid met Einsteins quote “spooky action at a distance”. Bij verstrengeling zijn quantumdeeltjes zo verbonden dat de toestand van het ene deeltje direct invloed heeft op de toestand van het andere, ongeacht de afstand. Als je vriend het cadeau opent en een blauwe mok vindt, weet jij meteen dat de andere vriend een rode heeft, ook al woont die in Nieuw-Zeeland en heb je niet gebeld om te vragen wat er in zijn cadeau zat. Zo klinkt verstrengeling vrij eenvoudig. Dit is ook niet wat Einstein spooky vond. Echte quantumverstrengeling is complexer, en er bestaat niet echt een goede analogie voor.
Wat quantummechanica zo ingewikkeld maakt, is dat het ons niet vertelt hoe de wereld is, zoals de rest van de natuurkunde wel doet, maar wat we kunnen verwachten bij toepassingen met de allerkleinste deeltjes. Het is een theorie om mee te werken, niet om de wereld te begrijpen.
Nieuwe ontwikkelingen
Nu zitten we al bijna in de tweede quantumrevolutie, waarin superpositie en verstrengeling worden gebruikt voor nieuwe technologieën zoals quantumcomputers en quantuminternet. Zullen die ons leven net zo ingrijpend veranderen als de uitvindingen uit de eerste revolutie? Ik denk het wel.
Quantumcomputers beloven problemen op te lossen die voor klassieke computers onoplosbaar zijn. Waar een klassieke computer werkt met bits die 0 of 1 zijn, werken quantumcomputers met qubits, die door superpositie tegelijkertijd 0 en 1 kunnen zijn. Dit geeft quantumcomputers een enorme rekenkracht voor taken waar heel veel data mee gemoeid zijn, zoals het simuleren van moleculen voor medicijnontwikkeling of het optimaliseren van complexe logistieke systemen.
Dat lijkt misschien wat ver van je bed, maar er is meer. Quantumcomputers kunnen ook de sleutels breken die worden gebruikt voor veilige internetverbindingen zoals online bankieren. Daarom waarschuwt de AIVD voor de quantumcomputer. Vijandige organisaties zouden nu al gevoelige, versleutelde informatie kunnen verzamelen om die later te ontcijferen. We moeten dus andere manieren vinden om onze informatie te beveiligen. Het quantuminternet biedt een oplossing. Door verstrengeling kan het quantuminternet zeer veilig geheime informatie overdragen.
Wanneer we quantumcomputers en -internet grootschalig kunnen gaan gebruiken is nog moeilijk te zeggen. Werken met de allerkleinste deeltjes vraagt om zeer grote nauwkeurigheid en apparatuur die nog lastig op te schalen is. Maar als de kracht van de nieuwe technologie juist ligt in de raadselachtige concepten van verstrengeling en superpositie, wordt het tijd dat we ons meer bewust worden van de wetten van de quantummechanica. Ook als we ze nooit echt zullen begrijpen.
Op 4 november duiken we in het Science Café dieper in de wereld van quantum. Gaat quantumtechnologie de hoge verwachtingen waarmaken?
