Einstein had geen idee dat hij de basis legde voor heel het internet

In de gezellige warmte van De Melkerij in Brasschaat, met een glas rode wijn binnen handbereik, probeert Frank Verstraete zijn levenswerk uit te leggen. De professor kwantumfysica aan de UGent en Cambridge heeft samen met schrijfster Celine Broekaert een boek geschreven over het meest fundamentele en tegelijk meest raadselachtige vakgebied in de wetenschap. Hun missie: kwantumfysica wegpluken uit de zweverige hoek waar het al te vaak belandt en tonen waarom iedereen er iets over zou moeten weten.

“Kwantumfysica bestaat 100 jaar en we snappen eigenlijk nog altijd maar heel heel weinig,“ bekent Verstraete. “Het blijft heel abstract omdat het eigenlijk over een heel andere wereld gaat.“ Een wereld waar deeltjes zowel golf als deeltje kunnen zijn, waar iets op twee plaatsen tegelijk kan bestaan, en waar door naar iets te kijken, je het verandert.

Waarom zware dingen niet sneller vallen dan lichte ▶ 44:08

Het boek opent met een verhaal uit 1586. Simon Stevin, een Vlaming, klimt op de Nieuwe Kerk in Delft met twee bollen, een zware en een lichte. Hij laat ze tegelijk vallen. Wat blijkt? Ze landen gelijktijdig, in tegenstelling tot wat 2000 jaar lang werd geloofd.

“2000 jaar lang dachten mensen dat zware dingen sneller vallen dan lichte. Simon Steven zei: ik wil dat gewoon meten. Uw intuïtie mag alles zeggen, als het niet klopt met hetgeen dat je ziet, dag theorie.“

Die houding, experiment boven intuïtie, vormt de ruggengraat van de kwantumfysica. Want ook hier botst onze dagelijkse ervaring met de werkelijkheid. “Door kwantumfysica worden we uitgenodigd om op een andere manier te denken,“ zegt Broekaert. “Je moet je klassiek denkpatroon volledig overboord gooien.“

Een deeltje dat zowel golf als deeltje is ▶ 15:01

Het fundamentele verschil tussen klassieke fysica en kwantumfysica draait om schaal. Newton's wetten blijven perfect geldig, voor grote objecten. Maar hoe kleiner je kijkt, hoe vreemder het wordt.

“Alle objecten, wij zelf inclusief, zijn zowel een deeltje als een golf,“ legt Verstraete uit. “De golflengte van iets wordt groter naarmate de massa kleiner is. Wij zijn ook een golf, maar onze golflengte is gigantisch klein.“ Voor een voetbal heb je geen kwantumfysica nodig. Voor een elektron wel, die zijn “puur kwantummechanische objecten.“

Het wordt pas echt interessant wanneer die golfjes beginnen overlappen. Dan krijg je interferentie-effecten, en dan wordt kwantumfysica onvermijdelijk.

"Niets geeft maar eigenschappen" ▶ 0:00

Het hart van de kwantumparadox zit in de observatie zelf. Om iets te zien, heb je licht nodig. Maar licht bestaat uit deeltjes die energie hebben. Hoe kleiner het object dat je wilt bekijken, hoe hoger de energie van het licht dat je nodig hebt. En hoe hoger de energie, hoe meer je het object verstoort door ernaar te kijken.

“Niets geeft maar eigenschappen afhankelijk van hoe dat je naar iets kijkt kan het compleet andere eigenschappen hebben. Je kunt niet meer zeggen dat is hier de eigenschap. Je zit in een superpositie.“

Deze “complementariteit“ betekent dat objecten verschillende eigenschappen tegelijk kunnen hebben. Pas door te kijken, door een meting te doen, dwing je het object een specifieke eigenschap aan te nemen.

Waarom materie hard is en kleur bestaat ▶ 11:53

De meest verbluffende les: we gebruiken kwantumfysica constant, zonder het te beseffen. Neem kleur.

“Kleur is iets dat iedereen ziet, maar dat is compleet niet te begrijpen waarom materie kleur geeft zonder kwantumfysica.“

Kleur ontstaat doordat elektronen in specifieke banen rond atoomkernen zitten. Er zijn “verboden energieën“, elektronen kunnen niet zomaar overal zitten. De specifieke golflengtes licht die door dit systeem worden weerkaatst, zijn wat wij als kleur waarnemen.

Nog fundamenteler: het feit dat materie bestaat, dat het hard is, is onmogelijk zonder kwantumfysica. “In een klassieke wereld is dat helemaal niet mogelijk. Je hebt daar puur kwantummechanische eigenschappen voor nodig.“ Het heeft te maken met symmetrie en het feit dat alle deeltjes onderscheidbaar zijn, abstract, maar cruciaal voor alles wat we kennen.

Einstein uitvond per ongeluk het internet ▶ 7:13

De geschiedenis van de laser illustreert hoe fundamenteel onderzoek tot onverwachte toepassingen leidt. Einstein voorspelde in een maandje tijd dat zoiets als een laser mogelijk zou zijn, als pauze van zijn werk aan de relativiteitstheorie.

“Einstein had natuurlijk geen enkel idee van dat de laser zou gebruikt worden om data te verzenden, maar dat leidde tot toepassingen na 60, 70, 80 jaar.“

Vandaag gaat alle internetcommunicatie via laserpulsen door glasvezelkabels. Van abstracte theorie naar de basis van de informatiesamenleving, in 80 jaar tijd.

De kwantumcomputer die er nog niet is ▶ 22:59

Waar gewone computers werken met bits die óf 0 óf 1 zijn, kunnen kwantumbits (qubits) in een “superpositie“ zitten, ze zijn 0 én 1 tegelijk. Dit superpositieprincipe zou kwantumcomputers theoretisch in staat stellen alle mogelijke oplossingen van een probleem parallel te verkennen.

“Een kwantumcomputer kan in parallel alle oplossingen tegelijkertijd exploreren, maar dat wil niet zeggen dat je de oplossing die je wilt eruit gaat krijgen.“

Het probleem: die parallelle berekening moet uiteindelijk leiden tot één antwoord. De verschillende “golven“ van mogelijke oplossingen moeten op een constructieve manier kunnen interfereren om het juiste antwoord te geven. Dat kan alleen bij problemen met heel veel interne structuur.

Als er een kwantumcomputer is, dan is alle encryptie op het internet zinloos ▶ 24:16

Eén zo'n probleem waar kwantumcomputers uitblinken: het ontbinden van grote getallen in factoren. Klinkt onschuldig, maar alle internetbeveiliging is daarop gebaseerd.

“Als er een kwantumcomputer is, dan is alle encryptie op het internet zinloos. Alle informatie die op Amazon gekocht wordt is gebaseerd op het feit dat factoren van grote getallen moeilijk is.“

Wanneer je inlogt op Google of iets koopt online, wordt je informatie versleuteld door je computer een reusachtig getal te laten ontbinden in factoren. Voor gewone computers duurt dat jaren. Een kwantumcomputer zou het in minuten kunnen.

“China en de NSA investeren miljarden en miljarden in het bouwen van een kwantumcomputer.“

"Ik werk al sinds eind jaren 90 aan kwantumcomputing en het is continu geweest dat de kwantumcomputer er binnen 10 jaar zou zijn" ▶ 27:59

Het probleem: kwantumbits zijn extreem kwetsbaar. Ze moeten perfect geïsoleerd worden van hun omgeving, want elke verstoring, een lichtstaal, een trillink, kosmische straling, vernietigt de delicate superpositie.

“Het blijkt heel heel moeilijk te zijn omdat het heel moeilijk is om een kwantumsysteem te isoleren van zijn omgeving,“ zucht Verstraete. Na 25 jaar onderzoek blijft de échte kwantumcomputer nog altijd tien jaar weg.

Een stemcomputer waar een kosmische straal doorheen vloog ▶ 1:00:47

Hoe kwetsbaar computers zijn voor verstoring blijkt uit een beroemd incident in Brussel. Bij verkiezingen had een kandidate plots 4096 stemmen te veel, meer dan het totaal aantal stemmers.

“Er is een stemcomputer in Brussel geweest waar een kosmische straal een bit heeft omgedraaid waardoor iemand 4096 stemmen teveel had. Dat was wereldnieuws.“

Kosmische straling, hoogenergetische deeltjes uit de ruimte, kan bits in computergeheugens omdraaien. Op aarde houdt onze atmosfeer het meeste tegen, maar soms slipt er eentje door. In de ruimte is het veel erger.

“Als je een computer meeneemt naar de Space Station gaat die niet werken. Er zijn zodanig veel kosmische stralen die alle bits continu omdraaien.“

Ruimtecomputers gebruiken daarom “error correction“, elke bit wordt drie keer opgeslagen als controle. Voor kwantumcomputers is dit probleem nog veel complexer.

Schrödinger's kat was bedoeld als grap ▶ 57:08

Het beroemdste kwantumexperiment, een kat in een doos die tegelijk dood en levend is, was eigenlijk bedoeld als kritiek.

“Einstein en Schrödinger konden niet leven met de consequenties van kwantumfysica. Schrödinger schreef zijn katexperiment om de kwantumfysica in het belachelijke te trekken.“

Schrödinger verbond het vervallen van een radioactief atoom met het lot van een kat in een gesloten doos. Zolang je niet kijkt, is het atoom zowel vervallen als niet-vervallen, en dus de kat zowel dood als levend. Het was bedoeld als reductio ad absurdum.

De ironie: wat toen belachelijk leek, wordt vandaag werkelijkheid. Wetenschappers hebben virussen laten “interfereren“, door twee spleten tegelijk laten gaan, zoals Schrödinger's kat tegelijk dood en levend was.

Supergeleiders zouden een ongelooflijk disruptieve technologie zijn ▶ 38:49

Een van de heilige gralen van de materiaalwetenschap: supergeleiders die bij kamertemperatuur werken. Materialen zonder elektrische weerstand zouden alles veranderen.

“Supergeleiders zouden een ongelooflijk disruptieve technologie zijn. Uw telefoon zou 100 keer langer meegaan en veel minder verbruiken.“

Voor elektronen is kamertemperatuur “gigantisch koud“, hun natuurlijke temperatuur ligt rond 10.000 graden. Daarom zou supergeleiding bij kamertemperatuur theoretisch mogelijk moeten zijn. Het probleem: we begrijpen niet hoe elektronen zich “verstrengelen“ in deze complexe materialen.

“Het zijn de problemen dat met een kwantumcomputer evident zouden zijn omdat een kwantumcomputer natuurlijk werkt in die kwantumwereld.“

"Er is nog niks echt achterhaald door de kwantumfysica" ▶ 21:25

Soms hoor je dat kwantumfysica natuurkundige wetten heeft “weerlegd.“ Verstraete schudt het hoofd.

“Er is nog niks echt achterhaald door de kwantumfysica. Er is geen enkel experiment in tegenspraak met de kwantumfysica.“

De kwantumwetten zijn wiskundige formules die perfect voorspellingen doen. Het probleem: ze zijn vaak te complex om op te lossen. Vandaar de behoefte aan kwantumcomputers, niet om de theorie te verbeteren, maar om de vergelijkingen op te lossen.

"Het is compleet irrelevant wat de echte microscopische wetten zijn" ▶ 34:11

Een van de meest verrassende inzichten uit de moderne fysica: het maakt niet uit wat de allerdiepste wetten van de natuur zijn.

“Het is compleet irrelevant wat de echte microscopische wetten zijn. Onafhankelijk wat die wetten zijn, blijven enkel heel weinig mogelijke theorieën over op schalen die wij kunnen observeren.“

Deze “emergentie“, het ontstaan van nieuwe verschijnselen op grotere schalen, is fundamenteel. Het verklaart waarom reductionisme faalt.

“Het is niet omdat je kwark verstaat dat je atoomfysica verstaat. Er zijn nieuwe principes, nieuwe fenomenen die mogelijk zijn omdat je met meer en meer deeltjes samenwerkt.“

String theorie: 10 tot de 500 verschillende theorieën zonder experiment ▶ 43:36

Het grootste probleem in de fysica: hoe combineer je kwantumfysica met Einstein's zwaartekracht? String theorie beloofde de oplossing, maar kwam in de problemen.

“Voor string theorie zijn er 10 tot de 500 verschillende theorieën en er is geen enkel experiment die kan uitwijzen welke het is. Is dat nog fysica als je geen voorspellingen mee kunt doen?“

Het zijn letterlijk 10 met 500 nullen erachter, meer mogelijkheden dan atomen in het waarneembare universum. Zonder experimenten om tussen die mogelijkheden te kiezen, wordt het wiskunde, geen natuurkunde.

"It from bit", materie bestaat omdat het informatie geeft ▶ 29:11

De zoektocht naar kwantumcomputers heeft een onverwacht bijproduct opgeleverd: een nieuwe manier om naar de werkelijkheid te kijken.

“Er is een heel beroemde quote: 'it from bit' - materie is er maar omdat het informatie geeft. Die hele kwantumcomputing heeft ertoe geleid dat we op een volledig andere manier naar kwantumfysica kijken.“

Informatie wordt het fundamentele concept. Ruimte, tijd, materie, alles wordt hergeformuleerd in termen van kwantuminformatie.

“Iedereen interpreteert nu de moeilijkste problemen in de fysica in termen van informatie, inclusief kwantumgravitatie. Wat is ruimte? Wat is tijd?“

Zelfs als er nooit een kwantumcomputer komt ▶ 29:42

Het mooiste aan het kwantumcomputer-onderzoek is dat het al succesvol is, ook zonder werkende machine.

“Zelfs als er nooit een kwantumcomputer is, heeft hij al zijn nut bewezen omdat hij een compleet nieuwe manier gegeven heeft om de moeilijkste problemen in de fysica te herformuleren.“

Die nieuwe “taal“, denken in termen van verstrengeling en kwantuminformatie, opent deuren naar problemen die decennia onoplosbaar leken. Van zwarte gaten tot supergeleiders: overal wordt deze nieuwe grammatica toegepast.

Kinderen wijsmaken dat deeltjes op twee plaatsen tegelijk kunnen zijn ▶ 46:43

Broekaert werkt aan een kinderversie van hun boek. De redenering is simpel: volwassen intuïtie staat kwantumfysica in de weg.

“Uiteindelijk kinderen, je kunt die eigenlijk van alles wijsmaken en die zijn daar weg mee. Wij willen eigenlijk al van jonge leeftijd proberen dat soort manier van denken mee te geven zodat ze dat gewoon normaal vinden.“

Twee deeltjes tegelijkertijd op verschillende plaatsen? Voor een kind: waarom niet?

Op aarde is het juist warm genoeg zodat niet alles stilstaat, maar koud genoeg dat niet alles direct vervalt ▶ 52:59

Het gesprek eindigt waar het begon: bij verwondering over het gewone. De aarde heeft niet alleen een atmosfeer die ons beschermt tegen kosmische straling, maar ook precies de juiste temperatuur voor leven.

“Op aarde is het juist warm genoeg zodat niet alles stilstaat, maar koud genoeg dat niet alles direct vervalt. Waarom er juist leven op aarde mogelijk is, dat kun je maar snappen door kwantummechanisch daarnaar te kijken.“

Alles wat we voor vanzelfsprekend houden, van de hardheid van materie tot de kleuren die we zien, is het resultaat van kwantummechanische processen. We leven in een kwantumwereld, ook al merken we het niet.

Het boek “Waarom niemand kwantum begrijpt en iedereen er toch iets over moet weten“ is meer dan een inleiding tot een moeilijk vakgebied. Het is een uitnodiging om anders naar de werkelijkheid te kijken. Want zoals Verstraete en Broekaert aantonen: de meest fascinerende verhalen spelen zich af op de allerkleinste schaal, waar onze intuïtie faalt en de wereld veel vreemder en mooier is dan we ooit hadden durven dromen.