De Verenigde Naties hebben 2025 uitgeroepen tot het Internationale Jaar van de Quantumwetenschap en -technologie. Daar lijkt het Nobelcomité naar geluisterd te hebben, want de Nobelprijs voor Natuurkunde gaat naar drie natuurkundigen die met een nauwkeurig experiment de exotische quantumwereld zichtbaar maakten in een elektronisch circuit, op bijna tastbare schaal. Hun werk heeft geleid tot de bouwstenen van de quantumcomputers waar techgiganten zoals IBM en Google nu aan werken.

Ondanks dat een Nobelprijs voor quantumonderzoek in de lucht hing, was het voor de Britse natuurkundige John Clarke (1942) toch de verrassing van zijn leven, vertelde hij tijdens de bekendmaking aan de telefoon. De prijswinnende experimenten werden in 1984 en 1985 onder zijn leiding uitgevoerd bij de Universiteit van Californië in Berkeley door de Franse natuurkundige Michel Devoret (1953) – destijds postdoconderzoeker – en de Amerikaanse natuurkundige John Martinis (1958) – destijds promovendus. Het drietal wilde een quantummechanisch verschijnsel genaamd quantumtunneling aantonen op macroscopische schaal, in een zichtbaar en tastbaar elektronisch circuit. Dit kregen ze voor elkaar met extreem nauwkeurig experimenteerwerk.

Op de allerkleinste schaal, van moleculen, atomen en elektronen, regeren de wetten van de quantummechanica. Deeltjes gedragen zich in deze quantumwereld compleet anders dan we gewend zijn in de klassieke wereld op de groot schaal waar wij in leven. Quantumdeeltjes kunnen dingen die wij onmogelijk achten, zoals op twee plekken tegelijkertijd zijn. Quantumtunneling is een exotische eigenschap die gaat over het doorbreken van barrières. In onze alledaagse wereld zal een bal altijd terug stuiteren als je hem tegen een muur gooit. Maar een quantumdeeltje zal af en toe recht door een muur heen schieten – of tunnelen – en er aan de andere kant uitkomen.

Betonnen muren

Dit tunnelen gaat niet alleen over het doorboren van fysieke, betonnen muren, maar ook over andere energiebarrières en toestanden. Quantumdeeltjes kunnen volgens de wetten van de quantummechanica met een bepaalde kans iets doen waarvoor ze eigenlijk niet genoeg energie hebben.

Fysici waren eraan gewend dat enkele quantumdeeltjes, zoals atomen en moleculen, dit soort gedrag vertonen. Maar het drietal wilde nu laten zien dat ook een groep deeltjes gezamenlijk dit soort quantumgedrag kan vertonen. Dat deden Clarke, Devoret en Martinis door een elektronisch circuit te bouwen met daarin een zogeheten supergeleider. Dat is een materiaal dat bij extreem lage temperaturen (ruim 250 graden onder nul) stroom weerstandsloos geleidt. Dat is mogelijk doordat de elektronen in dit materiaal tweetallen (zogeheten cooperparen) vormen. Deze cooperparen kunnen zich gezamenlijk gaan gedragen alsof ze een groot deeltje vormen – als een zwerm vogels die als een geheel door de lucht beweegt. Deze enorme groep elektronen kon zich in dit materiaal gedragen als één groot quantumdeeltje. Het circuit was zo opgebouwd dat dit grote deeltje in twee toestanden kon zijn: een supergeleidende toestand, waarbij de elektrische spanning nul is, en een gewonere toestand waarbij de spanning niet nul is. In principe zou het superkoude systeem niet zo maar kunnen overgaan van de supergeleidende toestand naar de toestand met een voltage – tenzij het grote quantumdeeltje van de ene naar de andere kant zou tunnelen. En dat is precies wat het drietal aantoonde.

Martinis is een zeer gedreven experimentator

Hans Mooij
TU Delft

De onderzoekers lieten zien dat het elektrische circuit van een spanning nul, plots naar een systeem mét een spanning kon tunnelen. „Het is alsof je een schakelaar uitzet, de kamer uitgaat en als je terugkomt staat de schakelaar ineens aan”, zegt Carlo Beenakker, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit Leiden, die het een „geweldige Nobelprijs” vindt. Maar dat was niet het hele verhaal. „Het lastigste gedeelte was dat ze moesten aantonen dat dit niet kwam door de temperatuur, of een ander omgevingseffect.” Dat hebben ze gedaan door heel uitgebreid, voorzichtig en nauwkeurig te kijken of het experiment zich precies gedroeg zoals theoretici voorspellen. De drie hebben dit volgens Beenakker nauwkeurig gedaan. „Echt zoals je ouderwetse natuurkunde moet doen, zonder op de zaken vooruit te lopen.”

Clarke was bij deze experimenten de groepsleider die de juiste omgeving creëerde. Het werk in het lab werd gedaan door Devoret en Martinis, vertelt Hans Mooij, emeritus hoogleraar van de TU Delft. Mooij kent het drietal goed en vindt het een mooie prijs. „Devoret is een echte experimentator en een diepe denker die niet met de molen meeloopt en experimenten goed kan analyseren. Martinis is een harde werker en een zeer gedreven experimentator die net zo lang doorgaat totdat zijn experiment optimaal werkt.”

Met name Martinis is vanuit dit onderzoek verder gaan werken om van een vergelijkbaar elektronisch circuit de bouwsteen te maken voor een quantumcomputer. Quantumcomputers beloven bepaalde berekeningen veel sneller te kunnen oplossen dan de huidige supercomputers. Dat is mogelijk doordat ze werken met qubits in plaats van bits. Bits – de bouwstenen van gewone computers – zijn één of nul, terwijl qubits tegelijkertijd een combinatie van één en nul kunnen zijn. Het blijkt mogelijk te zijn om supergeleidende circuitjes te maken waarin de elektronen – dankzij hun gezamenlijke quantumgedrag – tegelijkertijd linksom en rechtsom door het circuitje bewegen. Die circuitjes kunnen gebruikt worden als qubits. Hoewel er inmiddels ook andere technologieën bestaan, zijn de zogeheten supergeleidende qubits, gebaseerd op het Nobelprijswinnende werk, degene die nu het verst gevorderd zijn. Die vormen ook de basis voor de kleine prototype-quantumcomputers van Google en IBM. Beenakker: „Het Nobelprijsonderzoek kun je zien als de basis voor deze quantumcomputers.”

Geef cadeau

Deel

Mail de redactie

NIEUW: Geef dit artikel cadeau
Als NRC-abonnee kun je elke maand 10 artikelen cadeau geven aan iemand zonder NRC-abonnement. De ontvanger kan het artikel direct lezen, zonder betaalmuur.