Nobelprijs Fysica voor quantumtunneling op een chip

Beeld: Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach

Dit jaar viert de quantummechanica haar 100-jarig bestaan: in 1925 publiceerden zowel Werner Heisenberg als Erwin Schrödinger baanbrekende inzichten in deze wetenschap. Nu is 2025 ook het jaar geworden waarin de Nobelprijs voor Natuurkunde gaat naar drie pioniers die de bizarre effecten van quantummechanica in de alledaagse wereld hebben onderzocht.

Quantummechanica wordt beschouwd als een van de meest baanbrekende wetenschappelijke theorieën in de geschiedenis: zonder quantummechanica geen supercomputers en smartphones. De theorie staat ook bekend om haar vele contra-intuïtieve onthullingen: zo kunnen deeltjes ook golven zijn en kunnen ze tegelijkertijd in verschillende toestanden bestaan – superpositie. Ook kunnen ze eigenschappen hebben die perfect gecorreleerd zijn zodat ze met elkaar in verbinding staan, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Dat fenomeen staat bekend als quantumverstrengeling.

Passend bij de honderdjarige mijlpaal werd de Nobelprijs voor Natuurkunde dit jaar toegekend aan drie Amerikaanse natuurkundigen – John Clarke, Michel H. Devoret en John M. Martinis – die een ander bizar microscopisch quantumeffect, namelijk quantumtunneling, naar de macroscopische wereld hebben gebracht.

Quantumtunneling treedt op wanneer een deeltje rechtstreeks door een normaal gezien ondoordringbare barrière gaat en aan de andere kant van die barrière verschijnt. Ter vergelijking: stel je voor dat je een bal tegen een muur gooit en dat die vervolgens niet teruggekaatst wordt, maar onbeschadigd aan de andere kant van de nog altijd intacte muur opduikt. Het effect geldt niet wanneer het om meerdere deeltjes gaat, wat verklaart waarom je in het dagelijks leven nooit iemand door muren en vloeren ziet bewegen.

Maar in een reeks experimenten die Clarke, Devoret en Martinis in 1984 en 1985 aan de Universiteit van Californië-Berkeley uitvoerden, toonde het drietal aan dat die quantumtunneling op grotere schaal kon plaatsvinden dan tot dan toe voor mogelijk werd gehouden.

Hun experimenten waren gebaseerd op elektronische circuits die bestonden uit supergeleiders, die stroom kunnen geleiden zonder enige elektrische weerstand. Het resultaat? Elektronische ‘chip-achtige’ apparaten met supergeleidende componenten die werden gescheiden door een dunne barrière van niet-geleidend materiaal. Die opstelling staat bekend als een Josephson-overgang, genoemd naar de Britse theoretisch natuurkundige Brian Josephson die deze in het begin van de jaren zestig voor het eerst bedacht. Clarke, Devoret en Martinis deden uitgebreide metingen van de eigenschappen van het circuit. Zo toonden ze aan hoe elektronen die door het systeem bewegen, zich gedragen alsof ze één enkel deeltje zijn. Dat zogenaamde kleine deeltje ‘tunnelt’ door de scheidingsbarrière om het hele circuit te vullen.

Hun experimentele systeem vertoonde slechts twee verschillende modi: één waarin de stroom ‘gevangen’ zat in een nulspanningstoestand, en een andere waarin de stroom via tunneling aan deze toestand ontsnapte en wel onder spanning stond. Dit toonde duidelijk de gequantiseerde aard van het systeem aan, waarin slechts een specifieke hoeveelheid energie kon worden uitgezonden of geabsorbeerd – precies zoals de quantummechanica voorspeld had.

Smartphone

‘Het is geweldig om te kunnen vieren dat de eeuwenoude quantummechanica voortdurend nieuwe verrassingen biedt’, aldus Olle Eriksson, voorzitter van het Nobelcomité voor Natuurkunde. ‘Ze is ook heel nuttig, aangezien quantummechanica de basis vormt van alle digitale technologie.’

Toen hij vanuit zijn huis in Californië op zijn smartphone werd gebeld, merkte de ‘compleet verraste’ Clarke op dat het fenomeen dat hem nu tot Nobelprijswinnaar heeft gemaakt ook ‘een van de onderliggende mechanismen van de technologie in mobiele telefoons’ en dat ‘onze ontdekking in zekere zin de basis vormt voor quantumcomputers’.

Voor hun werk zullen de onderzoekers samen een prijs van 11 miljoen Zweedse kronen (ongeveer 1,17 miljoen dollar) ontvangen.