Twee natuurkundigen die het bestuderen van quantumeigenschappen van individuele deeltjes mogelijk hebben gemaakt, delen dit jaar de Nobelprijs.

De Nobelprijs voor de natuurkunde van 2012 is voor de Amerikaan David J. Wineland (links op de foto) en de in Marokko geboren Fransman Serge Haroche (rechts). Zij hebben allebei baanbrekend werk verricht om de quantummechanische eigenschappen van individuele deeltjes te kunnen bestuderen.

De quantummechanica is de tak van de natuurkunde die we gebruiken om de wereld van het allerkleinste te beschrijven; wanneer het gaat om minuscule deeltjes in plaats van de grote objecten om ons heen. Probleem is alleen dat het bestuderen van typische ‘quantumeigenschappen’ van dit soort deeltjes lastig is; ze raken op allerlei manieren vervlochten met hun omgeving en raken daarbij het quantumkarakter kwijt waar wetenschappers juist zo benieuwd naar zijn. Wineland en Haroche en hun onderzoeksgroepen hebben allebei slimme manieren ontwikkeld en uitgevoerd om hier omheen te werken.

Gevangen atomen

De ‘truc’ van Winelands onderzoeksgroep is dat die afzonderlijke atomen met een elektrische lading, oftewel ionen, gevangen weet te houden met behulp van elektrische velden. Vervolgens wordt het ion in de val als het ware tot rust gebracht met een laserstraal, waarna typische quantumeigenschappen van het deeltje zijn te bestuderen en te manipuleren. Zo is zo’n ion bijvoorbeeld – ook met een laser – in twee verschillende toestanden tegelijk te brengen, oftewel: in superpositie.

Haroche doet geen metingen aan materiedeeltjes zoals atomen, maar aan licht; oftewel, aan fotonen. Hij doet dat door deze fotonen heen en weer te laten pingpongen tussen twee spiegeltjes, zo’n 3 centimeter van elkaar vandaan. Normaal gesproken zouden die fotonen daarbij al snel verdwijnen, maar de spiegeltjes die Haroche gebruikt, zijn zó extreem reflecterend, dat een foton circa een tiende van een seconde kan blijven bestaan. Dat klinkt natuurlijk niet bepaald als een lange tijd, maar door de extreem hoge snelheid van licht legt het daarin wel enkele tienduizenden kilometers af.

Vervolgens vuurt Haroche op zijn fotonen atomen af met een middellijn van 250 miljoenste millimeter; naar atoombegrippen flinke jongens. Zo’n atoom komt bij zijn ‘doortocht’ al dan niet een foton tegen – en of zo’n ontmoeting heeft plaatsgevonden, kun je na afloop aan het atoom aflezen. Dat geeft je een manier om metingen te doen aan afzonderlijke fotonen zonder ze daarbij te vernietigen.

Superprecieze klok

Dit klinkt als heel fundamenteel onderzoek, maar het kan wel degelijk heel praktische toepassingen hebben. De gevangen ionen van Wineland zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt als quantumbits of qubits; de speciale bits waarmee de langverwachte quantumcomputer zijn berekeningen doet.

Een andere toepassing is de optische klok, die veel accurater is dan de atoomklokken die nu worden gebruikt. Zo’n klok zou, als je hem aan had gezet op het moment van de oerknal, 13,7 miljard jaar geleden, er nu maar zo’n vijf seconden naast zitten. Fijn, want een zo bizar precieze klok stelt je weer in staat om heel subtiele veranderingen in het verloop van tijd ten gevolge van Albert Einsteins relativiteitstheorie te meten – bijvoorbeeld wanneer een object net ietsje langzamer of sneller gaat bewegen, of ietsje meer of minder van de aardse zwaartekracht voelt.

Meer weten over quantummechanica en het ‘weglekken’ van quantumeigenschappen door interactie met de omgeving? Lees het openingsartikel van KIJK 10/2012, ‘Hoe quantum ben jij?’.

Bronnen: Nobelprize.org, samenvatting voor het grote publiek (PDF), wetenschappelijke achtergrondinformatie (PDF)