Nobelprijs voor quantumfysica: de cirkel voor de stelling van Bell is rond
De Nobelprijs voor Natuurkunde gaat dit jaar naar onderzoek in de quantumfysica. De prijs wordt op 10 december uitgereikt in Stockholm. Natuurkundige Bas Hensen legt uit waarom dit belangrijk is en hoe zijn onderzoek in Leiden hieraan relateert.
De Nobelprijs voor Natuurkunde bekroond het decennialange onderzoek naar quantumverstrengeling. De Nobelprijs voor Chemie gaat dit jaar naar klikchemie. Ook met dat onderwerp houden Leidse onderzoekers zich fanatiek bezig. Lees meer: Nobelprijswinnares was in Leiden: We hadden een wetenschappelijke rockster in ons midden.
‘Eigenlijk is deze Nobelprijs voor John Stewart Bell. Maar hij is dood, dus hij kan hem niet krijgen’, begint Hensen. De quantumfysica voorspelt dat twee gescheiden deeltjes elkaar onmiddellijk kunnen beïnvloeden en zich als één kunnen gedragen. Dit fenomeen heet quantumverstrengeling. In 1964 bewees Bell in een wiskundige stelling dat deze voorspelling niet mogelijk is met de wetten van de klassieke natuurkunde. Quantumfysica zou dus fundamenteel anders zijn. En die stelling was volgens Bell nog experimenteel te testen ook.
Nobelprijs voor quantumonderzoek
De winnaars - Alain Aspect, John F. Clauser en Anton Zeilinger - hebben alle drie experimenten gedaan om die stelling te beproeven. Hensen licht toe: ‘Clauser was de eerste die het idee van Bell om een test te doen heeft opgepakt. Dat was heel erg tegen de stroom in. Daarna heeft Aspect het experiment verbeterd. En Zeilinger heeft eigenlijk zijn hele carrière gewerkt aan allerlei vormen van quantumverstrengeling.’ Lachend voegt hij toe: ‘Nu zeggen we: Bell, wat een impact! Maar toen was het een beetje een obscuur idee en niemand ging daar experimenteel achteraan.’
Waarom is dat experiment zo belangrijk?
‘Het is ongelofelijk eigenlijk. Je kan met één onderzoek iets heel fundamenteels zeggen over de wereld. Namelijk dat dingen elkaar kunnen beïnvloeden op een onbepaalde afstand van elkaar. Dat is natuurlijk bizar.’ Maar volgens Hensen is dat niet de enige reden voor de Nobelprijs. ‘Er zijn veel technologische toepassingen. De quantumcomputer is bijvoorbeeld zo krachtig juist omdat die gebruik maakt van quantumverstrengeling. Daarnaast kun je bij de overdracht van quantuminformatie de Bell-test gebruiken om te garanderen dat er niemand meeluistert.’
‘Het werd een race met twee andere groepen. En wij waren de eerste!’
Bell-test zonder achterdeurtjes
Het werk van de Nobelprijswinnaars vormt de basis voor het onderzoek van Hensen. ‘Tijdens mijn promotie heb ik met verstrengeling gewerkt. Mijn belangrijkste resultaat was ook een Bell-test, maar dan voor het eerst loophole-free. Dat waren feitelijk achterdeurtjes die nog niet dicht waren in de experimentele test’, legt hij uit. ‘Dat werd een race met twee andere groepen. En wij waren de eerste!’ Volgens Hensen zat de Nobelprijs er wel een beetje aan te komen. 'Onze loophole-free Bell-test in 2015 en de kort daaropvolgende testen van onder andere Zeilinger waren een logische trigger, omdat daarmee de cirkel rond is: van Bell zijn theoretische stelling in 1964 naar een sluitend experiment’, zegt hij. ‘Ook leuk trouwens, onze publicatie is geciteerd in de wetenschappelijke achtergrond van de Nobelprijs.’
Quantumverstrengeling in Leiden
Hensen bouwt nu zijn experimentele opstelling in Leiden. ‘Ik wil weer verstrengeling gaan maken. Dat is toch iets waar ik niet vanaf kan blijven. De twist is nu dat ik ga proberen om dat via de zwaartekracht te doen. Dat is onwijs moeilijk, want daarvoor moet je heel veel massa hebben. En als je veel massa hebt, dan heb je weinig quantum-eigenschappen. Dit wordt echt een lange termijn project.’
Op de vraag of hij zin heeft om in Leiden aan de slag te gaan antwoordt hij: ‘Zeker! Onze nieuwe meethal is fantastisch. En Leiden staat echt voor nieuwsgierigheid-gedreven onderzoek. Natuurlijk zijn er technologische toepassingen, maar soms moet je ook een stap verder gaan en zeggen: laten we een fundamentele vraag onderzoeken, ook al duurt dat twintig jaar. Daarnaast is er een lange historie van prachtig onderzoek bij extreem lage temperaturen en met heel lage ruis. ’