Waar zouden we zijn zonder kwantummechanica?

Niels Bohr geeft kwanta een plek in het atoommodel van Rutherford. Hierin bestaat een atoom uit een positief geladen kern met daaromheen een wolk negatief geladen elektronen. Bohr stelt dat de elektronen in vaste banen rond de atoomkern draaien. Als elektronen energie verliezen of opnemen, verspringen ze een baan naar binnen of naar buiten - ze maken kwantumsprongen.

Bohr ziet licht als golf, terwijl Einstein het als deeltjes ziet. Het is in 1924 Louis-Victor de Broglie die bedenkt dat licht tegelijk uit deeltjes én golven bestaat. Dat idee past Erwin Schrödinger in het atoommodel van Bohr. Hij stelt dat de elektronen in golven rond de kern bewegen. Het is onmogelijk om de exacte positie van een elektron te weten, maar er zijn wel banen waarvan het waarschijnlijker is dat het elektron zich erin bevindt. Deze onzekerheid kan zelfs Einstein slecht verkroppen: ‘God dobbelt niet,’ verwoordt hij zijn verzet.

Het wordt gekker als je individuele fotonen afvuurt op de spleten. Als licht uit deeltjes bestaat, zou je twee strepen op de detector verwachten. Vergelijk het met een tennisballenkanon. Als je die voor een plaat met twee spleten zet, ketsen de meeste ballen af. De ballen die door de spleten gaan, komen slechts op twee plekken tegen de muur. Toch ontstaat in het geval van de individuele fotonen hetzelfde patroon als wanneer je met een lamp schijnt.

Helemaal bizar wordt het als je een detector in de plaat stopt die meet door welke van de twee spleten de fotonen gaan. Zet je deze detector aan, dan zie je op de lichtdetector erachter de twee strepen van het tennisballenkanon. Zet je deze detector uit, dan krijg je opnieuw het klassieke interferentiepatroon.

Superpositie treedt ook op in het tweespletenexperiment, stelt Schrödinger. Hij spreekt niet langer van exacte plekken van waar een deeltje is, maar van een waarschijnlijkheid dat het deeltje daar is. Deze mogelijke plekken en hun waarschijnlijkheden vertonen samen een golfpatroon. Tot het moment dat je meet, kun je stellen dat het deeltje op alle mogelijke plekken tegelijkertijd is (de kat is levend én dood). Pas als je meet, verschijnt het deeltje op de plek waar je het meet en storten alle andere mogelijkheden in (de kat is levend óf dood). De detector in de plaat met spleten dwingt een foton om een spleet te kiezen. Daarmee verdwijnen alle andere mogelijkheden.

Begrijp je dit niet? Je bevindt je in goed gezelschap. ‘Ik denk dat ik veilig kan zeggen dat niemand de kwantummechanica begrijpt,’ stelde natuurkundige en Nobelprijswinnaar Richard Feynman.

Bij verstrengeling doet afstand er niet toe. Je hebt bij beide deeltjes 50 procent kans om spin omhoog of omlaag te meten. Maar zodra je de spin van deeltje A vaststelt, weet je met 100 procent zekerheid die van deeltje B. Deeltje A is in staat zijn eigenschap te teleporteren naar deeltje B, dat vervolgens de tegenovergestelde eigenschap aanneemt. Of in de kattenvergelijking: je hebt 50 procent kans dat je in doos A een dode kat aantreft. Is dat zo, dan weet je met 100 procent zekerheid dat kat B leeft. Einstein noemde dit ‘Spooky action at a distance.’

Sinds we snappen hoe kwantummechanica werkt, is het toegepast in tal van apparaten die je elke dag tegenkomt. Neem bijvoorbeeld de lasers in cd-spelers, medische apparaten, de scanner van de kassière en telecommunicatie. In een laser springen elektronen onder invloed van licht of elektrische stroom een baan om de kern naar buiten. Valt een elektron een baan terug, dan zendt hij twee fotonen uit. Botsen deze fotonen tegen andere aangeslagen elektronen, dan zenden zij ook twee fotonen uit met precies dezelfde eigenschappen (zelfde kleur, fase, richting en polarisatie) uit. Zo ontstaat een kettingreactie en krijg je een grote hoeveelheid gelijkgestemde fotonen. Die geven laserlicht de unieke eigenschappen.

Ook de chips in je computer en telefoon, kerncentrales, atoombommen, nanotechnologie, elektronenmicroscopen en MRI-scanners danken we aan het begrip van de wereld op het niveau van de kleinste deeltjes. Zonder kwantummechanische verschijnselen zou de wereld er heel anders uitzien.

Een kwantumcomputer kan berekeningen aan die voor een computer onmogelijk zijn. Om de weg uit een doolhof of de snelste route tussen honderd adressen te vinden, moet een computer alle mogelijke routes één voor één verkennen. Een kwantumcomputer kan alle opties tegelijk berekenen en direct met het antwoord komen. Kost het een computer eeuwen om een ingewikkeld wachtwoord te kraken, een kwantumcomputer lost het direct op. Tegelijk kan de kwantumcomputer met behulp van verstrengeling communicatie zo veilig maken dat de wetten van de natuur kraken onmogelijk maken.

De huidige prototypes van de kwantumcomputer hebben nog onvoldoende qubits om bruikbaar te zijn. Je telefoon rekent sneller. Toch investeren grote techbedrijven als Amazon, Google en Microsoft flink. Ze willen de rekenkracht van de kwantumcomputer via de cloud verhuren.