10 mei 2017

dr. Julia Cramer

Was het een zinnetje in de aankondiging van het Science Café over het feit dat je als mens, anders dan als elektron, niet op twee plekken tegelijk kunt zijn? En dat veel mensen er dus voor kozen om naar het Science Café te komen voor de lezing over quantummechanica? Of was het gewoon de bizarre aard van de quantumwereld die de mensen intrigeerde en zorgde voor een “uitverkochte” zaal? Hoe dan ook, voor een (overigens gratis) lezing over zo’n toch wel ingewikkeld onderwerp was de opkomst op z’n minst opmerkelijk hoog te noemen.

Om haar lezing over de huidige stand van zaken op het gebied van quantumcomputers in te leiden begon dr. Julia Cramer met een kleine crash course quantummechanica. Ze vertelde over de drie belangrijkste verschijnselen in de quantumwereld. Ten eerste noemde ze het principe van de superpositie, het feit dat een deeltje op quantumniveau tegelijkertijd in twee verschillende toestanden kan verkeren. Ten tweede kan een waarneming van zo’n superpositie deze verstoren: de toestand van het deeltje vervalt dan naar één van de (meestal twee) mogelijkheden. En ten slotte noemde ze het principe van de verstrengeling: het verschijnsel dat de toestanden van twee deeltjes als het ware aan elkaar gekoppeld zijn. Het maakt dan niet uit hoe ver de deeltjes van elkaar verwijderd zijn, of dat nu enkele centimeters is, of miljoenen lichtjaren. Een waarneming aan het ene deeltje beïnvloedt dan het andere, en dat gebeurt instantaan, d.w.z. onmiddellijk. (Waarbij een afstand van bijvoorbeeld een miljoen lichtjaar dus geen enkele rol speelt.)

Toen wetenschappers deze bizarre theorie voor het eerst opperden stond de natuurkunde op zijn kop: het was een ware “quantumrevolutie”. Nu, zo’n honderd jaar later, zijn we volgens Julia in de tweede quantumrevolutie beland. We kunnen de principes uit de quantummechanica gebruiken om een nieuw soort computer te bouwen, de zogenoemde quantumcomputer, die alle huidige computers in de schaduw stelt.

Julia legde uit dat een gewone computer gebruik maakt van bits, de kleinste eenheden van informatie. Een bit kan nul of een zijn en vele miljarden bits bij elkaar vormen samen de informatie waarmee een computer werkt. Maar een bit kan slechts nul OF een zijn, niet beide tegelijk. Quantumwetenschappers hebben een nieuw soort bit bedacht, een quantumbit, of ook wel: qubit. Zo’n qubit kan wel degelijk tegelijk nul en een zijn. Door de eerder genoemde principes van superpositie en verstrengeling kan een relatief klein aantal qubits veel meer informatie bevatten dan dezelfde hoeveelheid gewone bits. En herinner je het effect van het waarnemen van verstrengelde superposities: door de waarneming vervallen de qubits gezamenlijk naar één bepaalde toestand. Hierdoor kunnen quantumcomputers veel sneller rekenen dan gewone computers. En elk extra qubit verdubbelt de rekenkracht van een quantumcomputer.

Jammer genoeg (maar je kunt ook zeggen: in de pas met een quantumberekening) was Julia’s quantumlezing sneller afgelopen dan gebruikelijk in het Science Café. Aan de andere kant betekende het wel dat er meer tijd was voor vragen. En dat er veel vragen zouden komen was wel duidelijk, want de zaal was nog opvallend vol na de pauze. Na de muziek van Etan Huijs ging James van Lidth de Jeude met zijn microfoon als eerste naar Gerard Sizoo, de zoon van Gerardus Johannes Sizoo (1900-1994), ooit hoogleraar Natuurkunde aan de Vrije Universiteit. Gerard vertelde dat zijn vader nog colleges had gevolgd bij Paul Ehrenfest, één van de wetenschappers die aan de basis stonden van de quantummechanica. Het was een aardige, persoonlijke en historische kanttekening die Julia deed verzuchten dat ze best Gerards vader had willen zijn.

De quantumtheorie maakt vaak de filosoof in mensen wakker. Een van de vragenstellers vroeg zich af of een verstrengeling iets is wat “gebeurt”, of wat “is”. Julia betitelde dit als een heel fundamentele vraag, waarop het antwoord ons nog ontglipt. Gelukkig kunnen we gebruik maken van verstrengeling zonder het antwoord op deze vraag precies te weten.

Op de vraag of de nog fundamentelere wetten van de quantummechanica, het exclusieprincipe van Pauli en de onzekerheidsrelatie van Heisenberg, nog een rol spelen in het onderzoek naar quantumcomputers antwoordde Julia dat die wetten inderdaad aan de basis liggen van verschijnselen als verstrengeling en superpositie. Om degenen die het nu duizelde wat tegemoet te komen legde ze de onzekerheidsrelatie van Heisenberg uit met een grapje: Heisenberg wordt aangehouden op de snelweg en de agent vraagt hem: “Weet u wel hoe hard u reed?”, waarop Heisenberg antwoordt: “Nee, maar ik weet wel precies waar ik ben.”

Bij een vraag over de lage temperatuur waarbij quantumcomputers werken vatte James Julia’s antwoord samen met een naar haar zin iets te beperkte beschrijving. Hij had het over deeltjes die bijna stil liggen dichtbij het absolute nulpunt, en met een meewarige stem zei Julia: “Ja, ’t ligt ook aan het deeltje…” James’ ietwat timide respons was “O.”

Het hoogtepunt van de vragenronde kwam toen de jongste bezoeker van de avond iedereen de loef afstak met de briljante vraag of verstrengelde deeltjes, behalve in verschillende delen van de ruimte, zich ook in verschillende tijden kunnen bevinden? Julia’s antwoord daarop was dat het inderdaad kon, maar hoe dat precies werkt wist ze niet. Maar veelzeggender was Julia’s eerste reactie: “Wow! Wanneer kom jij in Delft studeren?”

En dat is misschien wel de reactie die we het liefst zien als gevolg van een Science Café-avond. Als een lezing over zo’n moeilijk onderwerp als quantummechanica zulke jonge belangstellenden trekt, en als op die manier wetenschappers en publiek elkaar zo enthousiast omarmen, dan is het Science Café er niet voor niets.

Tekst Peter van Diest, fotografie Huub Eggen.

« terug naar overzicht terugblikken