Nobel prijs Natuurkunde voor baanbrekende kwantum informatie wetenschap

De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen heeft besloten om de Nobelprijs voor Natuurkunde 2022 toe te kennen aan Alain Aspect ( Université Paris-Saclay en École Polytechnique, Palaiseau, Frankrijk), John F. Clauser (JF Clauser & Assoc., Walnut Creek, CA, VS) en Anton Zeilinger (Universiteit van Wenen, Oostenrijk) voor experimenten met verstrengelde fotonen, het vaststellen van de schending van Bell-ongelijkheid en baanbrekende kwantuminformatiewetenschap.

Alain Aspect, John Clauser en Anton Zeilinger hebben elk baanbrekende experimenten uitgevoerd met behulp van verstrengelde kwantumtoestanden, waarbij twee deeltjes zich als een enkele eenheid gedragen, zelfs als ze gescheiden zijn. Hun resultaten hebben de weg vrijgemaakt voor nieuwe technologie op basis van kwantuminformatie.

De onuitsprekelijke effecten van de kwantummechanica beginnen toepassingen te vinden. Er is nu een groot onderzoeksgebied dat kwantumcomputers, kwantumnetwerken en veilige kwantumversleutelde communicatie omvat.

Een sleutelfactor in deze ontwikkeling is hoe de kwantummechanica het mogelijk maakt dat twee of meer deeltjes bestaan in een zogenaamde verstrengelde toestand. Wat er met een van de deeltjes in een verstrengeld paar gebeurt, bepaalt wat er met het andere deeltje gebeurt, zelfs als ze ver van elkaar verwijderd zijn.

Lange tijd was de vraag of de correlatie kwam doordat de deeltjes in een verstrengeld paar verborgen variabelen bevatten, instructies die hen vertellen welk resultaat ze moeten geven in een experiment. In de jaren zestig ontwikkelde John Stewart Bell de wiskundige ongelijkheid die naar hem is vernoemd. Hierin staat dat als er verborgen variabelen zijn, de correlatie tussen de resultaten van een groot aantal metingen nooit een bepaalde waarde zal overschrijden. De kwantummechanica voorspelt echter dat een bepaald type experiment de ongelijkheid van Bell zal schenden, wat resulteert in een sterkere correlatie dan anders mogelijk zou zijn.

John Clauser ontwikkelde de ideeën van John Bell, wat leidde tot een praktisch experiment. Toen hij de metingen deed, ondersteunden ze de kwantummechanica door duidelijk een Bell-ongelijkheid te schenden. Dit betekent dat de kwantummechanica niet kan worden vervangen door een theorie die gebruik maakt van verborgen variabelen.

Na het experiment van John Clauser bleven er enkele mazen in de wet. Alain Aspect ontwikkelde de opstelling en gebruikte deze op een manier die een belangrijke maas in de wet sloot. Hij kon de meetinstellingen wijzigen nadat een verstrengeld paar de bron had verlaten, zodat de instelling die bestond toen ze werden uitgezonden het resultaat niet kon beïnvloeden.

Met behulp van verfijnde hulpmiddelen en lange reeksen experimenten begon Anton Zeilinger verstrengelde kwantumtoestanden te gebruiken. Zijn onderzoeksgroep heeft onder meer een fenomeen aangetoond dat kwantumteleportatie wordt genoemd, dat het mogelijk maakt om een kwantumtoestand op afstand van het ene deeltje naar het andere te verplaatsen.

“Het wordt steeds duidelijker dat er een nieuw soort kwantumtechnologie in opkomst is. We kunnen zien dat het werk van de laureaten met verstrengelde toestanden van groot belang is, zelfs buiten de fundamentele vragen over de interpretatie van de kwantummechanica”, zegt Anders Irbäck, voorzitter van het Nobelcomité voor Natuurkunde.