‘Om vooruitgang te boeken moeten we onze intuïtie negeren’

18 augustus 2016 door SST

Google, Microsoft, Intel, de Chinese overheid: allemaal investeren ze fors in de ontwikkeling van een kwantumcomputer. Anton Zeilinger, een van de grondleggers van dit domein, interesseert het niet. ‘Ik wil vrij zijn en de fundamenten van de kwantumfysica onderzoeken.’

Wat is licht? Het lijkt een triviale, zelfs banale vraag. Niet voor Anton Zeilinger, de Oostenrijkse natuurkundige die als een van de pioniers en huidige boegbeelden geldt van het fascinerende vakgebied van de kwan-tuminformatie. Na afloop van een lezing die hij in januari gaf op Physics@FOM Veldhoven, de jaarlijkse hoogmis voor natuurkundestudenten in Nederland, vond Zeilinger het jammer dat hij door tijdsgebrek z’n laatste slide niet aan het enthousiaste publiek had kunnen tonen. ‘Daarop stond een minder bekende quote van Albert Einstein, waarin hij zich beklaagt dat hij zijn hele leven vruchteloos zocht naar een antwoord op de vraag ‘Wat is licht?’. Wel, ik ben nu zeventig en ik heb ongeveer hetzelfde gevoel.’


Zeilingers bezoek aan Veldhoven (vlak bij Eindhoven) werd gekenmerkt door tijdsnood. De kwantumfysicus had het spreekgestoelte nog maar net verlaten of hij zat al in een taxi op weg naar de luchthaven van Schiphol. Eos mocht plaatsnemen naast de wetenschapper. Het werd een rijdend interview. In stijl, met dank aan de limousinetaxi.

Ja, wat is licht eigenlijk? En waarom vindt u dat zo’n bijzondere vraag?
‘Zoals we al lang weten, gedraagt licht zich tegelijkertijd als een golf en als een deeltje – het heeft dus een dubbele natuur. Dat is op zich al bizar. Bovendien is de lichtsnelheid (in vacuüm, red.) de bovengrens voor alles wat beweegt in ons universum, en die is absoluut. Je kunt een lichtstraal met andere woorden nooit inhalen. Dat inzicht bracht Einstein tot zijn relativiteitstheorie, een van de grote revoluties in de natuurkunde in de 20ste eeuw.’


‘Maar nieuwe inzichten in wat licht is, leidden begin vorige eeuw ook tot die andere grote omwenteling: de kwantumfysica. Energie en licht bleken twee kanten van dezelfde munt te zijn. Allebei worden ze uitgestraald in kleine energiepakketjes, ‘kwanta’ oftewel fotonen. Kortom: de dubbele natuur van licht heeft ons heel ver gebracht, maar we weten nog altijd niet goed wat we ermee aan moeten.’


Een gebrek aan dieper inzicht hoeft dus de vooruitgang in de wetenschap niet af te remmen.
‘Precies. Het succesverhaal van de moderne wetenschap is net een gevolg van het feit dat de groten van vroeger – genre Galilei en Newton – zich niet voortdurend zaten af te vragen wat licht of massa nu precies waren. In de eerste plaats wilden ze weten hoe alles werkte, en hoe ze alles wiskundig konden beschrijven. Ze koesterden met andere woorden een pragmatische aanpak.’


Rekent u zichzelf ook tot die pragmatici?
‘Niet echt. De razendsnelle kwantumcomputer aan de horizon is geen drijfveer voor mijn dagelijkse onderzoek naar kwantuminformatie. Ik wil niet betrokken raken in onderzoek gedreven door technologie. Ik wil vrij zijn, wat betekent dat ik de fundamenten van de kwantumfysica kan onderzoeken. Gelukkig heb ik het voorrecht om dat te doen.'

'In mijn onderzoeksgroep houden we ons al jaren bezig met het sluiten van de vele achterpoortjes of loopholes in verstrengelingexperimenten (waarbij men probeert te bewijzen dat twee deeltjes met elkaar verstrengeld zijn en elkaar ‘instant’ beïnvloeden, hoe ver ze zich ook van elkaar bevinden. Ik vind die interessant en leuk, en aan het eind van zo’n experiment realiseer ik me telkens dat de kwantumwereld toch ongelooflijk bizar in elkaar zit.’


Van een bekend verstrengelingsexperiment gesproken: in 2007 slaagde u erin fotonen met elkaar te verstrengelen over een afstand van 144 kilometer, tussen de Canarische eilanden Tenerife en La Palma. Staat dat wereldrecord er nog steeds?
‘Als het gaat om verstrengeling in de open lucht wel. In een optische glasvezelkabel hebben andere wetenschappers verstrengelde fotonen kunnen transporteren over 200 kilometer. Maar wij staan op het punt ons record te verbreken, dit keer met de hulp van China. Een Chinese satelliet die deze zomer wordt gelanceerd zal proberen verstrengelde fotonen naar ons lab in Wenen te sturen – een afstand van 400 à 500 kilometer.’

Met elk experiment groeit de bewijslast voor het bestaan van kwantumverstrengeling, en dus wordt het ‘lokaal realisme’ steeds onhoudbaarder – het intuïtieve kader van de klassieke natuurkunde, waarbij je ervan uitgaat dat er geen verstrengeling is op afstand en dat iets er ook is als je niet kijkt. Welk aspect van dat kader zou u, persoonlijk, als eerste opgeven?

‘Ik vrees dat we zowel lokaliteit als realisme moeten loslaten. Het realisme proberen te redden gewoon omdat het een oud en intuïtief begrip is, vind ik zwak. Idem voor lokaliteit: waarom kunnen we niet aanvaarden dat de spookachtige werking op afstand gewoon bestaat?’


Dan bent u een aanhanger van de Kopenhaagse Interpretatie, zoals Niels Bohr die formuleerde: ‘In de natuurkunde wordt de uitkomst van metingen bestudeerd. Je afvragen waar een deeltje was voordat het werd gemeten, is pure speculatie en heeft geen zin.’
‘Nee, toch niet. Er zijn inderdaad collega’s die alleen geven om wat ze kunnen meten. Ze doen bijna alsof de dingen die ze niet meten, niet bestaan. Dat vind ik veel te ver gaan. Om een experiment uit te voeren moet je toch ten minste geloven in het bestaan van je eigen meetapparaat?
In de ogen van menig fysicus zal dit nogal radicaal klinken, maar ik geloof dat er achter de huidige kwantummechanica een nieuwe, volstrekt onbekende fysica schuilgaat. Fysica die nog sterker met onze intuïtie zal botsen dan de kwantummechanica nu al doet.’


Kunt u al een tipje van de sluier oplichten van hoe die ‘nieuwe fysica’ er zal uitzien?
‘Nee (lacht). Maar zodra ze er is, weet ik zeker dat mensen nostalgisch zullen terugverlangen naar de kwantummechanica, waarvan ze tenminste nog een aantal aspecten konden begrijpen. Overigens vind ik dat geen storende evolutie. Het is gewoon de manier waarop de natuurkunde zich ontwikkelt.’


‘Als je de geschiedenis van de wetenschap erop naslaat, merkt je een duidelijke evolutie waarbij theorieën steeds verder afwijken van het ons vertrouwde, intuïtieve denken. Het negeren van ons intuïtieve gedrag is trouwens een zeer productieve manier om vooruitgang te boeken – wat Galilei en Newton dus al wisten.’


Toch leven we in een macroscopische wereld waar van kwantummechanische effecten geen spoor is. Gelooft u in een scheiding tussen de macro- en microwereld?
‘Nee. Maar ik geloof wél in een strikte scheiding tussen de klassieke fysica en de kwantumfysica. En voor alle duidelijkheid: daarmee bedoel ik niet hetzelfde. Tegenwoordig zijn onderzoeksgroepen over de hele wereld bezig kwantum­effecten te ontdekken – of zelfs te stimuleren – in almaar grotere objecten. Wij hebben dat gedaan bij buckyballen, reuzemoleculen van zestig koolstofatomen groot, die we in kwantumsuperpositie konden brengen (de moleculen bevinden zich dan tegelijkertijd in meerdere kwantumtoestanden, red.)’


‘Naar mijn gevoel is het slechts een kwestie van tijd voor we, zelfs met onze eigen ogen, kwantummechanische effecten zullen kunnen zien en voelen. Ook in levende organismen. Momenteel wordt er al geëxperimenteerd met organische moleculen. Op den duur zullen virussen en nanobacteriën volgen.’


Kan dat leuke toepassingen opleveren?
‘Dat soort vragen vind ik altijd heel moeilijk te beantwoorden. Toen journalisten mij in de jaren 1990 opbelden met de vraag welke toepassingen mijn onderzoek naar de fundamenten van de kwantumfysica zou opleveren, wist ik ook nooit goed wat te zeggen. Maar kijk, vandaag heeft iedereen het over de kwantumcomputer. Of kijk naar de uitvinding van de laser in de jaren 1950. Die werd ook niet ontwikkeld om cd’s te kunnen lezen of kassa’s in de supermarkt mee uit te rusten.’


De kwantumcomputer dan. Vragen hoe lang het nog zal duren voor hij er is, doen we niet – dat pakt immers altijd verkeerd uit. Hoe snel rekenen de huidige ‘systemen’ al?
‘Daar kan ik moeilijk een cijfer op plakken. Heel traag in ieder geval. In ons lab werken we met kwantumsystemen van meerdere fotonen, en dit in meerdere dimensies. De snelheid waarmee de interacties plaatsvinden, interesseert me niet zo. Zoals gezegd ben ik meer geïnteresseerd in fundamentele inzichten. Zo hebben we in onze systemen bijvoorbeeld ontdekt dat ruimte en tijd irrelevant zijn. De locatie van de fotonen en de volgorde van de interacties lijken niet veel uit te maken. Dat is hoogst bizar. Misschien zijn ruimte en tijd concepten die pas op het ons vertrouwde, klassieke niveau verschijnen.’


Met de Chinezen gaat u dus binnenkort een nieuw verstrengelingsexperiment uitvoeren. Is China ook geïnteresseerd in de kwantumcomputer?
‘En of. Het land maakt voor de komende vijftien jaar miljarden vrij. Het wil blijkbaar koste wat het kost leider worden in het onderzoek naar en de toepassingen van kwantuminformatie. Misschien ligt het toekomstige ‘Quantum Valley’ dus wel in China.’


Wordt het internet straks ook helemaal ‘kwantum’?
‘Persoonlijk ben ik ervan overtuigd dat op een dag al onze informatietechnologie kwantum zal zijn. Waarom? Omdat ik geen principiële barrière zie die dit kan tegenhouden. Al die kwantumnetwerken zullen op basis van fotonen werken. Zowel via satelliet als glasvezelkabels. Het voordeel is dat we een deel van de huidige infrastructuur kunnen hergebruiken. De enige kabels die we zullen moeten vervangen zijn die met amplifiers en repeaters. Want een versterking of een herhaling van een signaal houdt een interventie in, en zoals bekend valt de kwantuminformatie dan uit elkaar. De grootste kosten zullen trouwens gaan naar kwantumsoft- en hardware. Die moet allemaal opnieuw vanaf nul worden ontwikkeld.’


U hebt voorgesteld om kinderen de basisbeginselen van de kwantummechanica aan te leren. Waarom?
‘Ik ben gewoon benieuwd wat er zou gebeuren als we kinderen in de lagere school al de kwantumintuïtie zouden onderwijzen in plaats van het klassieke, newtoniaanse denkkader. Misschien voelt bij die kinderen de kwantummechanica dan later wél vertrouwd aan.’

Dit interview verscheen eerder in Eos magazine (maart 2016)