Een grote vraag binnen de natuurkunde is: hoe groot kan iets zijn terwijl het zich nog steeds gedraagt volgens de regels van de kwantumwereld? De winnaars van de Nobelprijs voor Natuurkunde van dit jaar lieten zien dat dit kan bij een elektrisch circuit, dat je gewoon in je hand kunt houden.
In dat systeem zagen ze twee typische kwantumverschijnselen: tunneling (deeltjes die door barrières gaan) en energieniveaus die sprongsgewijs veranderen.
Kwantumfysica is een tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de allerkleinste deeltjes, zoals atomen en subatomaire deeltjes, waar de principes van de klassieke natuurkunde niet meer gelden. In de kwantumwereld verloopt alles in kleine stapjes, energie komt niet vloeiend maar in vaste pakketjes.
Experiment
In de jaren tachtig bouwden onderzoekers John Clarke, Michel Devoret en John Marinis een bijzonder elektrisch circuit van supergeleiders, materialen waardoor stroom zonder weerstand kan lopen. Tussen deze delen plaatsten ze een dun laagje niet-geleidend materiaal, een zogeheten Josephson-overgang.
Door alle eigenschappen van het circuit heel precies te meten en sturen konden ze zien wat er gebeurde als er stroom doorheen liep. En wat bleek: de geladen deeltjes in het systeem gedroegen zich alsof ze één groot kwantumdeeltje vormden dat het hele circuit vulde.
Sprongsgewijs
Het systeem dat de onderzoekers maakten liet eerst stroom door zonder dat er spanning ontstond, het systeem zat gevangen in deze toestand. In het experiment laat het circuit zijn kwantumgedrag zien, door via tunneling te ontsnappen. Dit werd zichtbaar doordat er ineens wel spanning werd gemeten.
De laureaten zagen ook dat het systeem zich precies gedroeg op de manier die de kwantummechanica voorspelt: het kon alleen sprongsgewijs vaste hoeveelheden energie opnemen of afgeven.
Volgende generatie
“Het is geweldig om te kunnen vieren hoe de eeuwenoude kwantummechanica voortdurend voor nieuwe verrassingen zorgt. Het is ook enorm nuttig, aangezien kwantummechanica de basis vormt van alle digitale technologie”, zegt Olle Eriksson, voorzitter van het Nobelcomité voor Natuurkunde.
Kwantummechanica staat aan de basis van de elektronica in iedere chip, van die in je telefoon tot in je computer. Maar de experimenten van Clarke, Devoret en Martinis openden de deur naar de volgende generatie binnen het vakgebied: kwantumcomputers, kwantumcryptografie (ultraveilige communicatie) en extreem gevoelige kwantumsensoren.
