Hoeveel velletjes papier moet je op elkaar stapelen om een toren van honderd meter hoog te maken? En stel dat je een A4'tje oneindig vaak kan vouwen, hoe vaak moet je het dubbelvouwen om een toren van honderd meter te maken?
Met een miljoen velletjes bouw je een toren van honderd meter hoog, terwijl je maar twintig keer hoeft te vouwen voor een constructie van dezelfde hoogte. Het feit dat de antwoorden zo ver uit elkaar liggen, komt doordat de ene methode lineair schaalt en de andere exponentieel, legt natuurkundige dr. Anne-Marije Zwerver uit. Om het gedachte-experiment af te maken, vraagt de natuurkundige door naar de benodigde hoeveelheid A4'tjes om een toren van tweehonderd meter hoog te maken. Wat denk jij? Hoeveel zou je moeten stapelen en vouwen?
De oplettende lezer heeft meteen door: twee miljoen velletjes tegenover eenentwintig keer vouwen. Deze beeldende uitleg over lineair versus exponentieel schalen komt van pas bij de poging je een voorstelling te maken van de moeilijkheidsgraad van problemen die we met behulp van computers proberen op te lossen. Denk aan het ontwikkelingen van medicijnen of het ontsleutelen van berichten die cryptografisch beveiligd, oftewel verborgen, zijn. Sommige van deze problemen zijn zo complex dat als er één variabele wordt toegevoegd, het probleem exponentieel groeit. Een computer die zo’n probleem moet uitrekenen, zou daar langer over doen dan de leeftijd van het heelal.
Korte geschiedenis van de quantummechanica
Voordat we de raadselachtige natuurwetten induiken, maken we een kleine etymologische uitstap. Want waar staat quantummechanica eigenlijk voor? Quantum betekent in het Latijn ‘hoeveelheid’ en mechanica is leenwoord van het Griekse ‘mechanike’, wat ‘middel’ of ‘werktuig’ betekent. Het gebruik van dit woord in natuurkundige context hebben we te danken aan het werk van Einstein over het foto-elektrisch effect, waar hij in 1921 de Nobelprijs voor ontving, legt historicus dr. Emma Mojet uit. In dit werk analyseert Einstein dat een deeltje kan veranderen als het een bepaalde hoeveelheid energie opneemt. Bij een andere hoeveelheid energie verandert een deeltje niet. Met andere woorden: er is een bepaalde gekwantificeerde hoeveelheid energie die invloed uitoefent op een deeltje. “En dat zijn we quantum, of quantummechanica gaan noemen”, vervolgt Mojet. In plaats van dat er alleen een oneindige golf bestaat, bleken deeltjes ook gekwantificeerd opgedeeld te kunnen worden.
Dat idee zorgde voor nogal wat reuring in de natuurkunde. Rond de twintigste eeuwwisseling dacht men een redelijk compleet beeld te hebben over hoe de natuurkunde in elkaar stak. “De natuurkunde was eigenlijk wel af, maar toen kwam deze rare quantumtheorie op”, aldus de historicus. En hoewel Einstein pionierend was in de ontwikkeling van quantum, vond hij het maar een ontregelende theorie. De gedragingen van quantumdeeltjes noemde hij niet voor niets “spooky action at a distance.”
Wat is er zo spannend aan?
Quantumdeeltjes gedragen zich anders dan we op macroschaal gewend zijn. Dat kan op zijn zachtst uitgedrukt wat contra-intuïtief aanvoelen. Deeltjes kunnen namelijk op hetzelfde moment in verschillende toestanden verkeren. Dit fenomeen wordt superpositie genoemd. In de realiteit die we met het blote oog kunnen waarnemen zou dat betekenen dat ik op dit moment van schrijven zowel op mijn werk ben, als thuis op de bank zit. Of dat ik tegelijkertijd mijn jas aan én uit heb.
Duizelt het al? Dr. Zwerver legt uit dat er nog twee andere kenmerken van quantumdeeltjes zijn die vrij bizar ogen. Het ene aspect is dat de deeltjes ondanks hun superpositie kleur zullen bekennen op het moment dat ze gemeten worden. Het deeltje ‘kiest’ dan A of B te zijn, of in computerterminologie 0 of 1. Hoe een deeltje ‘weet’ dat het gemeten wordt, is tot op heden een raadsel.
Het andere aspect is het concept van verstrengeling. Twee deeltjes kunnen met elkaar verstrengeld zijn en vanaf dat moment is hun superpositie verbonden. Beiden zijn A en B tegelijk en op het moment dat iemand ze gaat meten zal één 0 en de ander 1 laten zien. Het spookachtige karakter van quantumdeeltjes zat voor Einstein vooral in deze verbondenheid. Hij geloofde er dan ook niet in. Dat verstrengeling wel degelijk bestaat, is op Nederlandse bodem aangetoond. Onderzoekers uit Delft hebben dit in 2015 voor het eerst onomstotelijk bewezen.
Staan we aan de vooravond van een revolutie?
Vanaf de jaren tachtig zijn wetenschappers met quantummechanica gaan experimenteren met als doel het in te zetten voor onze technologie. Waar een normale computer met bits werkt die 0 of 1 zijn, heeft een quantumcomputer ‘qubits’ die net zoals de quantumdeeltjes 0 én 1 kunnen zijn. Daarmee schaalt het probleemoplossend vermogen van zo’n computer net zo hard als de gevouwen A4'tjes. Voor een probleem dat twee keer zo moeilijk is, zou je naast een gewone computer een tweede computer moeten zetten, terwijl bij een quantumcomputer je alleen één extra qubit hoeft toe te voegen. “We konden eerst fietsen en nu vliegen”, zo groot is de vooruitgang volgens dr. Zwerver.
Deze technologie is veelbelovend en creëert tegelijkertijd een wedloop tussen staten om de eerste te zijn met operationele quantumcomputers en quantuminternet. De wedloop heeft niet alleen te maken met technologische vooruitgang, maar ook met de nationale veiligheid en versleuteling van informatie. Jurist prof. Jan-Jaap Oerlemans legt uit dat als quantumcomputers verder worden ontwikkeld, ze versleutelde informatie – zoals digitale handtekeningen en online bankverkeer - redelijk eenvoudig kunnen achterhalen.
Om te voorkomen dat straks alle gegevens op straat komen te liggen, wordt er door veiligheidsdiensten al gewerkt aan zogenoemde ‘post-quantum’ beveiliging. Ook grote bedrijven zoals Google en Meta werken aan post-quantum beveiliging. Dat zou ervoor moeten zorgen dat onze documenten en WhatsApp-gesprekken niet door quantumhacks achterhaald kunnen worden.
De komende jaren zullen uitwijzen hoe quantumtechnologie zich ontwikkelt; elke dag kan een nieuwe doorbraak worden gerealiseerd. Ben je nieuwsgierig geworden naar de spannendste tak van de natuurkunde? Kijk dan hier de avond met dr. Anne-Marije Zwerver, dr. Emma Mojet en prof. Jan-Jaap Oerlemans terug.
