De Nobelprijs voor natuurkunde gaat dit jaar naar drie onderzoekers die aantoonden dat informatie onmiddellijk over grote afstanden kan worden overgedragen.

De Nobelprijs voor natuurkunde van 2022 gaat naar de Fransman Alain Aspect, de Amerikaan John Clauser en de Oostenrijker Anton Zeilinger. Zij ontvingen de prijs voor hun werk met quantumverstrengelde fotonen en andere doorbraken op het gebied van quantuminformatie.

Met de prijs erkent het Nobelcomité de bijdragen van het drietal aan de quantummechanica, met name de experimenten met verstrengelde lichtdeeltjes (fotonen). Daarmee toonden de wetenschappers aan dat informatie onmiddellijk over grote afstanden kan worden overgedragen, een fenomeen dat quantumteleportatie wordt genoemd.

Informatie uit het riool beschermt ons tegen infectieziekten – en meer
LEES OOK
Informatie uit het riool beschermt ons tegen infectieziekten – en meer

‘Ik ben nog steeds een beetje geschokt, maar het is een zeer positieve schok’, zei Zeilinger tijdens de persconferentie die volgde op de bekendmaking.

Stelling van Bell

De verschillende experimenten die de winnaars uitvoerden, beproefden allemaal een wiskundige stelling uit 1964 van de natuurkundige John Bell. Bij deze zogenaamde stelling van Bell wordt getest of de quantummechanica werkt zoals het ‘biljartbalmodel’ van de newtoniaanse mechanica, waarbij het even duurt voordat informatie van één deeltje naar een ander reist, of dat twee deeltjes die zich ver van elkaar af bevinden elkaar direct kunnen beïnvloeden.

Bell stelde voor om de eigenschappen van twee verstrengelde deeltjes te meten in een geïsoleerd systeem. Zo mocht er bijvoorbeeld geen waarnemer zijn die per ongeluk een verstrengeld partnerdeeltje beïnvloedt door ernaar te kijken. Als de deeltjes zich klassiek zouden gedragen, zou er een wiskundige ongelijkheid moeten ontstaan: de ongelijkheid van Bell.

Eerste bevestiging

In 1972 waren John F. Clauser en zijn collega Stuart J. Freedman de eersten die deze ongelijkheid testten. Dat deden ze door de verstrengelde fotonen te meten die ontstonden bij botsingen van calciumatomen.

Hun experiment bleek de ongelijkheid van Bell te schenden. Dit was de eerste praktische meting van de stelling, met een hoge mate van nauwkeurigheid. Het impliceerde dat quantummechanica inderdaad ‘niet-lokale effecten’ kon hebben, ofwel over grote afstanden informatie kon uitwisselen.

Er waren echter bepaalde haken en ogen aan dit experiment. Het verschilde nog vrij veel van Bells oorspronkelijke idee.

Oriënteren op nauwkeurigheid

Bijna tien jaar later, in 1980, slaagden de Fransman Alain Aspect van de Universiteit van Parijs-Saclay en zijn collega’s erin de ongelijkheid van Bell opnieuw te meten, nu met een veel grotere precisie. Dat deden ze door de polarisatie, of oriëntatie, van fotonenparen te meten.

Het team gebruikte een apparaat dat, net voordat de fotonen de detectoren bereikten, willekeurig besloot welk foton gemeten werd. Dit sloot de kans uit dat een waarnemer een effect had op het systeem. Sommige critici hadden dat als mogelijke kanttekening geplaatst bij het experiment van Clauser. Veel natuurkundigen vonden dat de metingen van Aspect de zaak beslechtte.

Van wetenschap naar technologie

Negen jaar later, in 1989, breidden Anton Zeilinger van de Universiteit van Wenen en zijn collega’s de ongelijkheid van Bell uit tot een toestand van drie of meer verstrengelde deeltjes, een zogenaamde GHZ-toestand. Deze toestand vormt een belangrijke pijler voor veel quantumtechnologieën. Zo worden GHZ-toestanden gebruikt om de bits van quantumcomputers, zogeheten qubits, te maken.

‘We willen de mensen eren die de basis hebben gelegd voor wat later de quantuminformatiewetenschap werd’, zei Nobelcomitélid Thors Hans Hansson tijdens de persconferentie.

Geen Nederlandse winnaar
Ook de Nederlandse natuurkundige Ronald Hanson, werkzaam aan de Technische Universiteit Delft, heeft een belangrijke rol gespeeld bij het bewijzen van quantumverstrengeling. In 2015 publiceerde hij over een Bell-experiment dat alle laatste mogelijke twijfels definitief uitsloot. De afgelopen jaren werd Ronald Hanson dan ook regelmatig genoemd als mogelijke kanshebber voor deze Nobelprijs, samen met Alain Aspect en Anton Zeilinger. Met John Clauser heeft het Nobelcomité echter gekozen voor drie pioniers.