Deeltjes op verschillende plekken tegelijk, ­griezelige ­invloeden over grote afstand, katten die tegelijkertijd dood en levend zijn – de quantumwereld is notoir vreemd.

Nog verbijsterender zijn de vragen die de quantumtheorie oproept over de aard van de werkelijkheid. Deze vragen vormen de grenzen van onze kennis. Voorbij die grenzen ­bevindt zich een wildernis van ­interpretaties waarin de natuurkunde wordt ­aangelengd met filosofie.

In dit dossier onderzoeken we de slecht gemarkeerde randen van deze wildernis. We werpen een blik op de nieuwste inzichten en experimenten – niet alleen om onze kennis te verdiepen, maar ook om deze uit te dagen. We trappen af met die ene vraag die ten grondslag ligt aan alle andere…

Wat maakt de quantumtheorie zo vreemd?

Zowel het plezier als het ongemak dat om de quantumtheorie heen hangt ontstond toen een ‘of’ een ‘en’ werd. Zijn de fundamentele componenten van de materiële werkelijkheid – de dingen waar licht, materie, warmte enzovoort uit bestaan – nu deeltjes of golven? Het antwoord van de quantumtheorie klinkt luid en duidelijk: allebei tegelijk.

De ellende begon in 1900 bij Max Planck. Puur om de wiskunde te laten kloppen, nam Planck aan dat de elektromagnetische straling die uitgestraald wordt door een perfect absorberende ‘zwarte straler’ uit afzonderlijke energiepakketjes bestaat, oftewel quanta. In 1905 ging Albert Einstein met dit idee aan de haal. In zijn Nobelprijswinnende onderzoek naar het foto-elektrisch effect nam hij aan dat quanta werkelijk bestaan, en dat alle vormen van elektromagnetische staling – licht incluis – zich gedragen als deeltjesachtige entiteiten die fotonen heten. In de jaren twintig van de vorige eeuw werd die logica binnenstebuiten gekeerd, toen bleek dat punt­achtige deeltjes – zoals elektronen – eveneens een golflengte hebben en zich soms als golven gedragen.

Natuurkundige Richard Feynman noemde deze ‘golf-deeltjesdualiteit’ het ‘enige mysterie’ van de quantumfysica – het mysterie waaruit al het andere logisch volgt. Je kun het niet verklaren in de zin dat je kunt vertellen hoe het werkt, zo schreef hij. Je kunt alleen vertellen hoe het in de praktijk werkt.

Hoe het in de praktijk werkt, is al vaak toegelicht met het klassieke tweespleten­experiment. Je vuurt een stroom van afzonderlijke fotonen (of elektronen, of ieder ander object dat quantumregels volgt) af op twee dunne spleten die zich vlak naast elkaar bevinden. Wanneer je bij iedere spleet een meetinstrument plaatst, zie je individuele fotonen op ­specifieke posities door de spleet heen reizen. Maar wanneer je achter de spleten een scherm neerzet, zie je op den duur een patroon van lichte en donkere strepen verschijnen dat alleen kan ontstaan als elk foton een golf is die met zichzelf kan interfereren – net zoals rimpelingen in een vijver dat doen wanneer ze een obstakel raken. Dergelijke ongerijmdheden worden wiskundig beschreven door zogenoemde golffuncties. Deze schilderen quantumobjecten af als ­entiteiten die kunnen bestaan in superposities van alle mogelijke toestanden: positie, impuls, energie en elke andere eigenschap die je wilt meten. Elke mogelijke toestand gaat gepaard met de kans dat je deze zult aantreffen als je dezelfde meting heel vaak achter elkaar uitvoert. Maar je weet nooit zeker wat de uitkomst van een enkele meting zal zijn. Om de zaak nog erger te maken, bestaat er het onzekerheidsprincipe. Dat stelt dat paren van quantumeigenschappen, zoals positie en impuls, nooit gezamenlijk op een nauwkeurige manier gemeten kunnen worden.

‘Griezelige interactie op afstand’ vormt de basis voor technologieën zoals de quantumcomputer

Lagen van vreemdheid

Dan is er nog verstrengeling. Samen met anderen introduceerde Einstein dit begrip in 1935 om te benadrukken dat het niet mogelijk kon zijn. Verstrengeling stelt dat wanneer je twee deeltjes samen in dezelfde toestand brengt om ze daarna van elkaar te scheiden, een meting aan het ene deeltje de uitkomst beïnvloedt van een meting aan het andere. Zulke, in ­Einsteins woorden, ‘griezelige interactie op afstand’ is inmiddels in talloze experimenten aangetoond. Het vormt de basis voor ontluikende technologieën zoals de quantumcomputer (zie ‘Krijgen we ooit een bruikbare quantumcomputer?’).

Varianten op het tweespletenexperiment voegen extra lagen van vreemdheid toe. Zo kun je aantonen dat de gedaante die een quantumobject aanneemt afhangt van de manier van meten, zélfs wanneer je die keuze pas maakt nadat
de objecten de spleten al zijn gepasseerd.

Om al deze redenen wordt Feynmans enige mysterie aangeduid als het ­‘meetprobleem’. Dit is het middelpunt van een enorm, nog altijd actueel debat over de aard van de quantumwerke­lijkheid en onze rol daarin. Erwin Schrödinger omschreef dit probleem als ­beste, met zijn beruchte gedachte-­experiment over een kat in een kist die zowel leeft als dood is zolang je er niet in kijkt (zie ‘Wie of wat laat de golffunctie instorten?’).

Het meetprobleem heeft natuur­kundigen al tot vele merkwaardige meta­fysische interpretaties gedreven. Maar zoals we zullen zien, heeft nog niemand een verklaring bedacht die werkelijk overtuigt. Hoogstwaarschijnlijk ligt de oplossing van het ene grote mysterie van de quantumtheorie in iets wat nog niemand bedacht heeft – niet een ‘of’ of een ‘en’, maar een ‘geen van beide’. –RW

Wie of wat laat de golffunctie instorten?

Quantumobjecten, zoals losse atomen, elektronen of fotonen, zijn berucht vanwege het feit dat ze zich op allerlei plaatsen tegelijk kunnen bevinden (zie ‘Wat maakt de quantumtheorie zo vreemd?’). Ze bestaan in de vorm van een wolk van ­mogelijkheden. Deze wordt gerepresenteerd door een factor die, zodra je over quantummysteries begint na te denken, onmogelijk te negeren is: de golffunctie.

Op het eerste gezicht is de golffunctie niet meer dan een wiskundig vehikel waarmee je de kans kunt uitrekenen dat een deeltje op een bepaalde plek zal opduiken. Het mysterie schuilt in de manier waarop de wiskunde vertelt dat de golffunctie ‘instort’ zodra je ernaar kijkt, om daarna iets definitiefs achter te laten waar we het allemaal over eens kunnen zijn.

Zo ontstaat het beeld van de wereld zoals dat door onze klassiek geschoolde ogen waargenomen wordt. Maar hoe verhoudt de wiskunde zich tot de werkelijkheid vóór de meting – en wat wordt er precies veranderd door de handeling van het meten?

Weerbericht

Erwin Schrödinger drukte ons ongemak jegens het idee dat wij de werkelijkheid ogenschijnlijk ‘creëren’ uit in een beroemd geworden gedachte-experiment. In een kist bevindt zich een kat, een buisje met gif, en een miniem beetje radioactief materiaal. Zodra er een atoom vervalt, treedt een mechaniekje in werking dat het gif vrijlaat. Het verval van
een atoom is een willekeurig quantumproces. De vraag is dus, aldus Schrödinger: is de kat dood én levend tegelijk, voordat je in de kist kijkt?

De gangbare visie op de quantumtheorie, die bekend staat als de Kopenhaagse interpretatie, zegt: ja. De wiskunde klopt, dus hou je mond en reken verder. ‘Uit praktisch oogpunt werkt dit perfect’, zegt theoretisch natuurkundige Angelo Bassi van de Universiteit van Triëst in Italië. ‘Maar vanuit een fundamenteel oogpunt kun je je afvragen: waarom stort de golffunctie eigenlijk in?’

Sommige natuurkundigen betogen dat dit volkomen logisch is wanneer je de golffunctie beschouwt als een manier om te voorspellen wat er gaat gebeuren. Net als bij het weerbericht, verandert het verstrijken van de tijd de uitkomsten van de golffunctie. ‘Het universum is niet gemaakt van golffuncties, net zoals het ook niet gemaakt is van weersverwachtingen’, zegt hoogleraar ­natuurkunde Christopher Fuchs van de Universiteit van Massachusetts in de Verenigde Staten. Fuchs is een vooraanstaand pleitbezorger van een interpretatie van de quantumtheorie die bekend staat als quantumbayesianisme, oftewel QBism. Voor QBisten is de quantum­theorie niet een beschrijving van de wereld zoals deze los van onze aanwezigheid bestaat, maar simpelweg een hulpmiddel om beter door de wereld te navigeren. Dus: natuurlijk stort de golffunctie in. En wie anders dan wijzelf zouden daar de oorzaak van zijn?

Je kunt ook oversteken naar het andere uiterste door te stellen dat de golffunctie in het geheel niet instort. In de veelwereldeninterpretatie vindt bij een meting elke mogelijke uitkomst die in de golffunctie gecodeerd zit plaats in verschillende parallelle universa. Niks stort in bij een meting. Het enige wat gebeurt is dat de ­wereld zich splitst, en we een ­bepaalde aftakking worden binnengeloodst.

Naburige duiven

Wanneer je de voorkeur geeft aan een antwoord dat hoop biedt op een beter begrip van de werkelijkheid zonder daartoe een multiversum in te roepen, ­bestaat er nog een volgende ­optie: dat golffuncties spontaan instorten, zonder de invloed van waarnemers. Deze ‘objectieve instorting’ werd al in de jaren zeventig geopperd, maar staat de laatste jaren weer in de belangstelling omdat ze empirische mogelijkheden lijkt te ­beloven. ‘De andere interpretaties streven ernaar de golffunctie te herinterpreteren’, zegt Bassi, aanhanger van deze interpretatie.

Volgens dit idee is de kans dat de golffunctie van een atoom instort zo gering dat je er miljarden jaren op zou kunnen wachten. Maar wanneer je maar ­genoeg ­atomen samenvoegt, verandert dit beeld op dramatische wijze. Het cumulatieve ­effect zou waarneembaar moeten zijn in de vorm van een vage ‘achtergrondruis’ van instortende golffuncties. Een voldoende gevoelige detector zou deze ruis kunnen opvangen.

Het project Testing the large-­scale limit of quantum mechanics, ­oftewel TEQ, beoogt dit te doen. Misschien worden waarnemers daarmee definitief uit de quantumtheorie verwijderd. Om de ­instortingsruis te registreren, worden glazen kraaltjes met een doorsnede van enkele nanometers met behulp van elektrische velden aan het zweven gebracht. Vervolgens worden hun bewegingen nauwgezet gevolgd. De laatste versie van het experiment heeft vertraging opgelopen. Desondanks verwacht onderzoeksleider Hendrik Ulbricht, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Southampton in het Verenigd Koninkrijk, binnen een jaar resultaten. ‘We zijn allemaal erg opgewonden’, zegt hij.

Zoeken naar ruis is niet iets wat natuurkundigen normaal doen. ‘Gewoonlijk onderdrukken we ruis zoveel mogelijk, omdat de fysica zich in het signaal ­bevindt’, zegt Ulbricht. Maar er bestaat een interessant precedent. Toen de astronomen ­Robert Wilson en Arno Penzias in 1964 voor het eerst een ­alomtegenwoordig radiosignaal waarnamen, dachten ze aanvankelijk dat het afkomstig was van uiteenlopende zaken zoals andere sterrenstelsels, de stad New York of naburige duiven. Uiteindelijk realiseerden ze zich dat ze de kosmische achtergrondstraling hadden ontdekt die het overblijfsel vormt van de oerknal. ‘Zo zou het ook met deze instortingsmodellen kunnen gaan’, zegt Ulbricht. –AB

Waarom zijn grote dingen niet quantum?

Vaak wordt gezegd dat het heel kleine geregeerd wordt door de quantum­fysica, en het grote door de klassieke fysica. Er lijken twee soorten regels te bestaan: een voor fundamentele deeltjes en een andere voor ons. Maar alles, inclusief wijzelf, bestaat uit deeltjes. Dus waarom kunnen wij niet in superpositie verkeren of golfachtige interferentie vertonen wanneer we door een poort heen lopen – zoals een foton of elektron dat een nauwe spleet passeert?

Om met de deur in huis te vallen: het antwoord op die vraag kennen we niet. Een van de boeiendste ideeën die momenteel onderzocht worden, is dat de klassieke werkelijkheid zou oprijzen uit een proces dat vergelijkbaar is met evolutie door natuurlijke selectie.

Dit concept stamt uit de jaren zeventig. Toen realiseerden natuurkundigen zich voor het eerst dat quantumgedrag van deeltjes, zoals superpositie en verstrengeling, weglekt naar de omgeving en vervolgens verdwijnt als gevolg van interactie met andere deeltjes. Dit proces wordt decoherentie genoemd. ‘Deze koppeling aan de macroscopische omgeving vernietigt quantumcoherentie zo snel, dat ze onzichtbaar is’, zegt quantumfysicus Jean-Michel Raimond van de Sorbonne-universiteit in Parijs. Experimenten hebben aangetoond dat decoherentie, ook al gebeurt het in een oogwenk, een werkelijk en natuurlijk proces is.

Waarom overleven sommige kenmerken de transitie van quantum naar klassiek, terwijl andere dat niet doen?

Wat decoherentie echter niet vertelt, is waarom bepaalde uitkomsten, zoals positie of snelheid, tevoorschijn komen om door ons waargenomen te worden. Waarom overleven juist deze eigenschappen de transitie van quantum naar klassiek, terwijl sommige andere quantumverschijnselen dat niet doen?

Quantumdarwinisme

Theoretisch fysicus Wojciech Zurek van Los Alamos National Laboratory in de Amerikaanse staat New Mexico had sterk het idee dat er een soort van selectieve ­filtering plaatsvindt. Die filtering, besefte hij, wordt veroorzaakt door de decoherentie zelf. Die vernietigt sommige eigenschappen, waaronder superpositie, maar laat andere met rust.

Zurek bedacht ook dat wanneer we ­dergelijke robuuste eigenschappen meten, we eigenlijk kijken naar het effect dat ze hebben op de omgeving, ofwel de ‘indrukken’ die ze erin achterlaten. Zo laat de positie van een object een indruk achter in de vorm van fotonen die ervan afketsen. We leiden die positie vervolgens af uit het gereflecteerde licht. Fascinerend genoeg blijkt dat eigenschappen die de selectieve filtering overleven vanwege hun robuustheid tegen decoherentie precies diegene zijn die ook goed zijn in het maken van indrukken – je zou ze ‘kopieën’ kunnen noemen – van zichzelf in de omgeving.

Dat eigenschappen overleven door hun vermogen kopieën te maken, deed Zurek denken aan evolutie door natuurlijke selectie. Vandaar dat hij zijn idee quantumdarwinisme noemde. ‘Quantum­darwinisme stelt dat het de voorkeurseigenschappen zijn, ofwel de dingen die je kunt waarnemen, die kopieën van zichzelf in de omgeving verspreiden, ­waardoor een groep onafhankelijke waarnemers gemakkelijker overeenstemming kan bereiken over het resultaat van de meting’, zegt Raimond.

Statistische toestandenmix

De afgelopen jaren hebben Zurek en anderen dit idee aan onderzoek onderworpen. Ze realiseerden zich dat als er inderdaad een vorm van natuurlijke selectie plaatsvindt gedurende de transitie van quantum naar klassiek, je er dan een duidelijke ­vingerafdruk van zou moeten waarnemen zodra een quantumobject interactie aangaat met de omgeving. Meer specifiek voorspelt quantumdarwinisme dat de meeste informatie die we over een object kunnen vergaren zal opduiken in de eerste kopieën die hun indruk nalaten op de omgeving. Latere kopieën zullen heel ­weinig toevoegen wat nieuw is. Met andere woorden: de informatie die wordt overgedragen van het object naar de omgeving ‘verzadigt’ snel.

Met deze notie in het achterhoofd hebben drie onderzoeksgroepen quantumsystemen onderzocht die exact genoeg beschreven konden worden om de vingerafdruk te onderscheiden. Alle drie troffen ze precies de voorspelde informatieverzadiging aan. Raimond wijst er echter op dat deze experimenten betrekking hadden op versimpelde systemen. ‘Ik denk niet dat we al een resultaat hebben behaald dat bevestigt dat deze decoherentietheorie opgaat voor alle mogelijke systemen’, zegt hij.

Dan rest er nog een laatste vraag: waarom nemen we bij een meting slechts één van alle mogelijk waarden waar die een specifieke eigenschap kan aannemen? Een superpositie van twee posities overleeft het quantumdarwinistische filter niet. Maar elk van de twee klassieke posities wel. Dus: wat gebeurt er met de positie die niet wordt waargenomen?

‘Decoherentie voorspelt dat het meet­instrument zich in een statistische mix van alle mogelijke toestanden bevindt’, zegt Raimond. ‘Dus waarom duikt er maar één enkel resultaat op? Dit probleem wordt totaal niet door het mechanisme van decoherentie opgelost’. –PB

Waar houdt quantumvreemdheid op?

Een appel vertoont zich nooit op allerlei plaatsen tegelijk. Deze stelling verbaast niet, totdat je je in quantumvreemdheid verdiept en beseft dat daar geen fundamentele reden voor bestaat. Hoe meer deeltjes zich in een object bevinden, hoe moeilijker het is om quantumeigenschappen zoals superpositie van locatie in stand te houden. Meer deeltjes betekent meer interactie met de omgeving. Dat is volgens de decoherentietheorie de reden dat quantumeigenschappen wegsterven (zie ‘Waarom zijn grote dingen niet quantum?’). Maar als het aantal interacties kan worden beperkt door het quantumsysteem te isoleren, zit er in theorie geen bovengrens aan de omvang van een object dat quantum­gedrag kan vertonen.

Is dat werkelijk zo? Zouden we met de juiste proefopstelling twee Elstars met elkaar kunnen verstrengelen, zodat het onmogelijk wordt te zeggen welke van de twee rijp is voordat we onze tanden in een van de twee zetten? Om uit te vinden waar de bovengrens ligt, hebben onder anderen quantumfysici Anton Zeilinger en Markus Arndt met hun collega’s van de ­Universiteit van Wenen de afgelopen jaren hun best gedaan steeds grotere objecten in een quantumtoestand te brengen.

‘Het is in principe mogelijk om virussen en bacteriën in superpositie te brengen’

In de jaren negentig lukte dat met bundels moleculen met een doorsnede van een nanometer – groot genoeg
om waargenomen te worden door een elektronenmicroscoop. Arndt en zijn collega’s maakten vervolgens steeds
grotere quantum­objecten. Zo wisten ze uit koolstof opgebouwde moleculen met 430 atomen erin met zichzelf te laten interfereren. Deze objecten hadden een doorsnede van 6 nanometer: de omvang van kleine eiwitten. Op dit moment beschikken ze over moleculen met 2000 atomen die zich, aldus Arndt, ‘nog altijd perfect op quantummechanische wijze gedragen.’ Andere onderzoekers treffen voorbereidingen om nanodeeltjes met ­miljoenen atomen in superpositie te brengen.

Zwaartekracht

Op dit moment lijken de obstakels bij het maken van grote quantumobjecten puur technisch van aard. Quantumfysicus ­Oriol Romero-Isart van de Universiteit van Innsbruck meent dat voldoende ­controle over het decoherentieproces het in principe mogelijk maakt om biologische deeltjes zoals virussen en bacteriën in superpositie te brengen – of zelfs een microscopisch schepsel als een beer­diertje. ‘Ik denk niet dat er enig beletsel bestaat om experimenten te doen met micro-organismen, mits ze het uithouden in een vacuüm’, zegt hij.

Naarmate we steeds grotere dingen in een quantumtoestand brengen, bestaat de kans dat we iets nieuws ontdekken over het proces dat quantum doet veranderen in klassiek. Sommige onderzoekers vermoeden dat er meer aan de hand is dan louter decoherentie. Met name wis- en natuurkundige Roger Penrose van de ­Universiteit van Oxford houdt er rekening mee dat de zwaartekracht erbij betrokken is. Deze kracht is op de schaal van atomen immers verwaarloosbaar, maar wint snel aan belang naarmate objecten groter ­worden. Misschien bestaat er een nog onopgemerkt proces dat de golffunctie doet instorten. In dat geval zouden pogingen om nanodeeltjes in superpositie te brengen kunnen falen.

Hoe dan ook zegt Romero-Isart dat we niet zomaar kunnen aannemen dat de quantummechanica ook standhoudt op grote schalen. ‘Er bestaan extreem opwindende vragen over de wisselwerking ­tussen quantummechanica en de zwaartekracht die in de toekomst wellicht beantwoord zullen worden’, zegt hij. –PB

Is de quantumwereld werkelijk willekeurig?

Het quantumdomein van atomen en deeltjes is in de kern willekeurig. Dat is tenminste wat de wiskunde van de probabilistische golffunctie lijkt te impliceren (zie ‘Wat maakt de quantumtheorie zo vreemd?’). Onze kennis van de quantumwereld lijkt nog het meest op het werpen van een dobbelsteen. In de lucht neemt deze tegelijkertijd alle waarden aan, om uiteindelijk op tafel een enkele uitkomst te leveren. Tot dat moment is het resultaat ­onkenbaar. Of toch niet?

Quantumwillekeur is ‘gewoon raar’, zegt theoretisch natuurkundige Sabine Hossenfelder van het Frankfurt Institute for Advanced Studies in Duitsland. Het druist in tegen ons intuïtieve begrip van ­oorzaak en gevolg. Anders dan de meeste van haar vakgenoten is ­Hossenfelder er niet van overtuigd dat de quantumwereld inderdaad een onverbeterlijke gokker is. ‘Ik vind dat we de hoop op een verklaring niet moeten opgeven’, zegt ze.

Ze is pleitbezorger voor een concept dat bekend staat als ­superdeterminisme. Wanneer we een ­meting verrichten aan een ­quantumobject, zijn onze waarnemingen al vooraf bepaald door factoren die we niet kunnen waarnemen. Dit idee bestaat al langer, maar is altijd impopulair gebleven – deels omdat het de notie van een wetenschappelijk experiment ondermijnt. Want wanneer onwaarneembare ­begincondities de uitkomsten van experimenten bepalen, en onderzoekers dus hun vrije wil verliezen, hoe kunnen we dan nog op de ­wetenschap vertrouwen? Ook betogen velen dat superdeterminisme in absurde mate is ‘gefinetuned’: om conclusies te kunnen trekken uit vergaarde data, dienen we de begincondities te kennen waaruit de ­wereld ooit is opgerezen.

Retrocausaliteit

Hossenfelder heeft onlangs een artikel gepubliceerd waarin ze betoogt dat het eerste probleem niet bestaat, omdat het niet van toepassing is op mensen of macroscopische apparaten. Deze volgen nog altijd de voorspelbare regels van de klassieke natuurkunde. Wat het tweede argument betreft, denkt ze dat je kunt berekenen hoe een bepaald quantumsysteem zich deterministisch gedraagt zonder dat je rekening hoeft te houden met alles wat er ooit gebeurd is.

Ze heeft nog niet veel van haar collega’s kunnen overtuigen, maar dat belet haar niet haar ideeën op de testbank te leggen. Als je de positie van een quantumobject vaak genoeg meet in voldoende korte tijdsintervallen, met minimale ruis, zou je kunnen waarnemen dat deeltjes die in een vergelijkbare toestand van start gaan in een vergelijkbare toestand eindigen – in tegenstelling tot wat de quantumtheorie voorspelt. Willekeur kan ontstaan, aldus Hossenfelder, doordat dit onderliggende determinisme verloren gaat in ruis en lange meetintervallen.

Maar het kan ook komen doordat het heden en de toekomst in staat zijn het verleden te beïnvloeden. Toegegeven, dat is een ‘erg vreemd idee’, zegt quantuminformaticus Matthew Pusey van de Universiteit van York in het VK. Niettemin heeft hij aangetoond dat de omkering van oorzaak en gevolg noodzakelijk voortvloeit uit het feit dat, tenminste op de kleinste schalen, de vergelijkingen van de quantummechanica zowel voorwaarts als terug in de tijd ­werken.

Dit klinkt volgens Pusey ‘minder gek’ wanneer je in overweging neemt dat in de algemene relativiteitstheorie de tijd niets meer is dan een extra dimensie naast de drie ruimtelijke dimensies. Dit levert een vierdimensionaal ‘blokuniversum’ op waarin alle locaties op alle momenten aanwezig zijn. Het verleden, het heden en de toekomst zijn er even echt, waardoor het ‘nu’ zijn speciale status verliest. Pleitbezorgers voor retrocausaliteit geloven net als superdeterministen dat toeval een illusie is die veroorzaakt wordt door onze eenzijdige en naïeve blik op de wereld – in dit geval ons verkeerde begrip van hoe tijd werkt.

Denk opnieuw aan de dobbelsteen. De zuiverheid van dobbelstenen kun je manipuleren, en worpen kun je meesterlijk controleren. Uiteindelijk kunnen zelfs stofdeeltjes of schommelingen in temperatuur het resultaat beïnvloeden. We beschouwen de uitkomsten louter als willekeurig omdat het zo moeilijk is al deze omstandigheden te berekenen. Geldt hetzelfde voor de quantumwereld? Je zou er niet op durven gokken. –MF

Maakt ‘het leven’ handig gebruik van quantumeffecten?

De vraag ‘Gebruikt het leven quantum­effecten?’ kun je beantwoorden met een andere vraag: ‘Waarom niet?’ Al het leven is geëvolueerd om gebruik te maken van de wereld waarin het zich toevallig bevindt. Dus waarom zou de magie van quantumeffecten verboden terrein zijn gebleven? Verschijnselen zoals de schijnbare telepathische connecties die optreden bij verstrengeling, of ‘quantum­tunnelen’, waarbij quantumobjecten moeiteloos energiebarrières passeren die ze op het eerste gezicht niet kunnen overwinnen, lijken immers nuttige overlevings­gereedschappen.

Het tegenargument luidt, zoals elke bioloog kan bevestigen, dat levende wezens nat en warm zijn, en dat ze onnoemelijk veel ‘ruis’ in zich dragen: hun moleculen rammelen en hun vloeistoffen stromen, wat een omgeving veroorzaakt waarin decoherentie (zie ‘Waarom zijn grote dingen niet quantum?’) elk quantumeffect overweldigt. De laatste jaren zijn we echter in staat gebleken de verfijnde verbindingen tussen atomen en moleculen binnen cellen in kaart te brengen. Dat heeft prikkelende aanwijzingen opgeleverd voor het idee dat leven inderdaad profijt heeft van quantumverschijnselen.

Neem een van de belangrijkste innovaties in de geschiedenis van het leven: foto­synthese. Dit is het proces waarmee planten en sommige bacteriën zonlicht omzetten in chemische energie. De reactie komt op gang zodra fotonen uit het zonlicht elektronen in chlorofylmoleculen in een aangeslagen toestand brengen. Hierbij ontstaan quasideeltjes: pakketjes energie die rondbewegen alsof ze deeltjes zijn. Ze worden excitonen genoemd. Deze bewegen langs allerlei routes heen en weer ­totdat ze op een ‘reactiecentrum’ stuiten waar hun energie kan worden afgetapt en opgeslagen. Tijdens hun gependel verliezen excitonen energie. Daarom vroegen onder­zoekers zich af of je quantum­effecten kunt gebruiken om tegelijkertijd alle routes uit te proberen, waarna je dan de efficiëntste uit kunt kiezen.

Subtiele effecten

Quantumcoherentie is inderdaad bij omgevingstemperaturen waargenomen in chlorofylmoleculen van groene zwavelbacteriën en zeealgen. Maar puur het feit dat er een quantumeffect is waargenomen in een levend organisme betekent nog niet dat dit een evolutionair voordeel biedt. Het belang van coherentie in het proces van fotosynthese is inderdaad ‘subtieler dan aanvankelijk gedacht’, zegt hoogleraar scheikunde Gregory Scholes van de Princeton-universiteit in de VS, die een van de eerste experimenten leidde. Wat we nodig hebben, zo zegt hij, is een minder dubbelzinnig voorbeeld.

Dat zou geleverd kunnen worden door trekvogels die voor hun overleving sterk afhankelijk zijn van hun buitengewone navigatievaardigheden. Een mogelijke verklaring voor hoe ze hun weg vinden, zijn quantumverstrengelde deeltjes in bepaalde eiwitten, cryptochromen genaamd, die in de ogen van sommige vogelsoorten zitten. Het idee is dat tijdens de vlucht minuscule veranderingen in het aardmagnetisch veld worden opgepikt door de verstrengelde deeltjes, die deze vervolgens doorspelen aan de hersenen.

Hier bestaat enig bewijs voor. Het is bekend dat de cryptochromen tijdens de migratie actiever zijn. Bovendien is het verdacht dat kippen juist niet over deze eiwitten beschikken: die zouden er toch niets aan hebben, aangezien ze nauwelijks vliegen. Afgelopen juni toonden bio­medisch ingenieur Jingjing Xu en haar collega’s van de Carl von Ossietzky-­universiteit in het Duitse Oldenburg aan dat cryptochromen in de ogen van Europese roodborstjes gevoelig zijn voor magnetisme. Hoewel dit veelbetekenend lijkt, werden de experimenten uitgevoerd met eiwitten in reageerbuisjes. Mogelijk reageren ze in vogelogen anders. Vooralsnog zijn we dus nog steeds op zoek naar ontegenzeggelijk bewijs dat planten en dieren in hun ­evolutie een handje worden geholpen door de quantummechanica. –TL

Is bewustzijn quantum?

Het idee dat warm en vochtig leven gebruikmaakt van quantum­effecten (zie ‘Maakt ‘het leven’ handig gebruik van quantumeffecten?’) mag controversieel heten, het is nog niets vergeleken met de overtuiging van sommige onderzoekers dat quantum­ffecten kunnen verklaren waar het menselijk bewustzijn vandaan komt.

‘Georkestreerde objectieve reductietheorie’, kortweg Orch OR, werd in de jaren negentig voorgesteld door wis- en
natuurkundige Roger Penrose en anesthesioloog Stuart Hameroff. De theorie probeert de kloof tussen fysische materie en de bewuste ervaring te overbruggen. Het idee is dat bewustzijn ontstaat wanneer in kleine eiwitten in hersencellen, microtubuli genaamd, golffuncties instorten als gevolg van zwaartekrachtsinstabiliteit in de fundamentele structuur van de ruimtetijd. Dit is zware kost. En wanneer dit gelegenheids­huwelijk van quantummechanica, zwaartekracht en bewustzijn klinkt alsof het te mooi is om waar te zijn, dan zou dat zomaar kunnen kloppen. Critici van Orch OR betogen namelijk dat in de warme, met ruis doordrenkte omgeving van de hersenen de quantumcoherentie in micro­tubuli allang is ingestort voordat deze enig effect op de werking van hersencellen kan uitoefenen.

Niettemin ontdekten hoog­leraar experimentele oncologie Jack Tuszynski van de Universiteit van Alberta in Canada en hoogleraar optica Aristide ­Dogariu van de Universiteit van Midden-Florida in de VS dat op microtubuli geschenen licht maar heel langzaam, namelijk gedurende een tijdsbestek van enkele minuten, terugkaatst. Dat is een signaal dat er iets quantumachtigs plaatsvindt. ‘Het is uitermate vreemd’, zegt Tuszynski, die inmiddels werkt aan een theoretisch model dat verklaart wat hij gezien heeft.

Anesthetica

Biochemicus Gregory Scholes van de Princeton-universiteit in de VS onderzoekt microtubuli op vergelijkbare quantumeffecten. De eerste experimenten wijzen erop dat moleculen in deze structuren langdurig collectief gedrag over lange afstanden vertonen. Beide groepen willen onderzoeken of narcose, waarbij het bewustzijn wordt uitgeschakeld, invloed uitoefent op microtubuli. ‘Er is in biologische systemen een verbazingwekkende structuur en synchronie te vinden’, zegt Scholes. ‘We moeten gewoon experimenten uitvoeren die heel anders zijn dan alles wat we tot nu toe hebben ­gedaan’

Anesthesioloog George ­Mashour van de Universiteit van Michigan is voorstander van ­dergelijk onderzoek. Maar hij waarschuwt dat ‘je niet zomaar de link met bewustzijn kunt ­leggen.’ Er moeten nog veel meer stappen worden gezet voordat dit soort experimenten de omstandigheden in de hersenen beginnen na te bootsen, zo benadrukt hij. Als zou blijken dat anesthetica inderdaad lang­durige quantum­toestanden in microtubuli uitschakelen, dan zou dat Orch OR uit de alternatieve hoek halen. Misschien blijkt het idee van een quantumbrein dan toch levensvatbaar. –TL

Is de zwaartekracht een quantumkracht?

Wanneer de twee belangrijkste ­figuren in je leven niet met elkaar overweg kunnen, zorgt dat altijd voor problemen. Vraag maar aan natuurkundigen. De twee beroemdste theorieën in hun vakgebied zijn fundamenteel onverenigbaar met elkaar. Hele generaties wetenschappers zijn niet in staat gebleken de twee met elkaar te verzoenen.

De quantumtheorie beschrijft materie op de kleinste schaal, en verklaart drie van de vier fundamentele natuurkrachten: de elektromagnetische kracht en de sterke en zwakke kernkracht, plus de deeltjes die deze krachten overbrengen. De algemene relativiteitstheorie van Einstein verklaart ondertussen de kosmos op de allergrootste schalen, en omschrijft de zwaartekracht als een vervorming van de ruimtetijd.

De belangrijkste aanwijzing dat de twee theorieën verenigd zouden moeten worden, wordt geleverd door de extreme omstandigheden die heersen in de kern van zwarte gaten. Wanneer je daar de algemene relativiteitstheorie op toepast, lopen de vergelijkingen volledig uit de rails. ‘Het is de theorie zélf die ons vertelt dat we ons dan buiten de grenzen van haar geldigheid begeven’, zegt universitair hoofddocent fundamentele fysica Astrid Eichhorn van de Zuid-Deense Universiteit.

Het is logisch om te denken dat uit de quantummechanica een fundamentelere theorie over de zwaartekrach zou moeten oprijzen. De theorie beschrijft immers ­succesvol de wereld op de allerkleinste schalen – ook bij de hoge energieniveaus waar de algemene relativiteitstheorie het laat afweten. Maar hoe een quantum­theorie van de zwaartekracht er concreet uit zou moeten zien, is een duivels ingewikkelde vraag gebleken.

Quantummechanische spin

Een van de netelige problemen komt voort uit de manier waarop we met de quantumtheorie de waarneembare eigenschappen van subatomaire deeltjes berekenen. ­Probeer je bijvoorbeeld de massa van een elektron te meten, dan explodeert het aantal termen in de vergelijkingen tot oneindig. Deze ‘niet-renormaliseerbaarheid’ was lang een onneembare hindernis, maar onlangs leverde een idee dat schaal­symmetrie heet aanwijzingen op dat de zaken bij voldoende hoge energieën weer hanteerbaar worden. Helaas treedt het effect pas in werking bij energieën die zo hoog zijn dat je ze niet experimenteel kunt onderzoeken. Gelukkig laat het wel een soort voetafdruk achter op schalen die we wél kunnen observeren. Je kunt een bepaald idee daardoor bij relatief lage energieën onderzoeken en vervolgens extrapoleren wat er gebeurt bij de hoogste energieën, waar de zwaartekracht een quantumkracht zou zijn.

Theoretisch natuurkundigen Mikhail Shaposhnikov van de Technische Universiteit in het Zwitserse Lausanne en Christof Wetterich van de Universiteit van Heidelberg in Duitsland gebruikten deze benadering al voor het voorspellen van de massa van verschillende deeltjes, waaronder het higgsdeeltje en de topquark. Eichhorn en haar collega’s passen de benadering toe om andere deeltjeseigenschappen te voorspellen, waaronder de kracht van interacties. ­Daarbij troffen ze veelbelovende overeenkomsten aan met bestaande metingen.

Maar wat als ze op het verkeerde paard wedden? Want hoewel de overgrote meerderheid van de natuurkundigen aanneemt dat zwaartekracht inderdaad een quantumkracht is, bestaat daar eigenlijk geen bewijs voor. Hoogleraar natuurkunde Sougato Bose van University College London denkt te weten hoe hij daar verandering in kan brengen. Hij bedacht een experiment waarin hij wil kijken of de quantummechanische spins in twee microscopisch kleine diamanten met elkaar verstrengeld kunnen raken door interactie met de zwaartekracht – iets wat alleen mogelijk zou zijn als de zwaartekracht een quantumkracht is. ‘Dit worden baanbrekende experimenten’, zegt Bose. Maar het is nog te vroeg om te zeggen hoe ze zullen uitpakken. –AD

Krijgen we ooit een bruikbare quantumcomputer?

Veertig jaar geleden betoogde natuurkundige Richard ­Feynman dat quantumsystemen de krachtigste conventionele computers geheel naar de kroon zouden kunnen steken. ‘Hij stelde dat een quantumcomputer veel soorten klassieke berekeningen exponentieel zou moeten kunnen versnellen’, zegt hoogleraar informatica Cristian Calude van de Universiteit van Auckland in Nieuw-Zeeland. Na een groot aantal doorbraken lijkt het er nu op dat quantumcomputers inderdaad een hoge vlucht gaan nemen. Wellicht.

Doordat ze eigenschappen hebben die in de klassieke wereld niet bestaan, kun je met quantumobjecten zoals atomen, fotonen en ­elektronen op een andere manier informatie verwerken dan met gangbare computers. Je gebruikt deze objecten dan als zogeheten quantumbits, oftewel qubits.

De superieure rekenkracht die je ermee kunt bereiken, vloeit deels voort uit het fenomeen quantum­superpositie. Dat zorgt ervoor dat je met een qubit een complexe combinatie van nullen en enen kunt representeren. Dat betekent niet dat zulke qubits tegelijkertijd nul en één zijn. Een betere manier om het te beschrijven is dat ze zowel nul als één zouden kunnen zijn.

Publiciteitsmachines

Quantumalgoritmen laten op dit systeem een proces genaamd ­‘interferentie’ los. Dit vervormt de eigenschappen binnen de super­positie en duwt de onderlinge interacties van de qubits in een zodanige richting dat de kans groter wordt dat je een uitkomst krijgt die een oplossing bevat voor het probleem waaraan je wilde rekenen.

Op dit punt komt verstrengeling om de hoek kijken. Dit verschijnsel veroorzaakt ‘griezelige connecties’ tussen de qubits die het ­mogelijk maken een interferentiepatroon te creëren. Hiermee kunnen de paden die in de richting van verkeerde antwoorden leiden worden uitgedoofd, ­terwijl de paden naar het goede antwoord versterkt worden.

Het bewijs voor de kracht van quantumrekenen is inmiddels geleverd. In 2019 meldden onderzoekers van Google dat ze ‘quantumsuprematie’ hadden behaald – het moment waarop een quantumprocessor een probleem kraakt waar een klassieke computer zich op stuk zou bijten. De 54-qubit Sycamore-­processor van Google had slechts 3 minuten en 20 seconden nodig om een probleem op te lossen waar ’s werelds krachtigste klassieke computer 10.000 jaar voor nodig zou ­hebben, aldus de onderzoekers.

Maar dat wil niet zeggen dat de quantumcomputer in kwestie ook daadwerkelijk in staat is tot iets nuttigs – evenmin als alle andere machines die inmiddels quantumsuprematie hebben ­bereikt. Het probleem dat
Google kraakte was namelijk erg esoterisch. Afgelopen mei vatte ­natuurkundige en elektrotechnicus Isaac Chuang van het Massachusetts Institute of Technology in de VS de huidige stand van de technologie samen in niet mis te verstane bewoordingen. ‘Vanuit praktisch oogpunt zijn de huidige quantumcomputers behoorlijk nutteloos, behalve dan voor het genereren van publiciteit.’

Foutcorrectie

Dit brengt ons op de lange weg naar een bruikbare machine. De ongemakkelijke waarheid is dat voor quantumcomputers wel degelijk geldt: size matters. Qubits die data bevatten moeten hun gevoelige quantumtoestand lang genoeg vast kunnen houden om een berekening te voltooien. Daarvoor moeten ze worden afgeschermd van omgevingsinvloeden, zoals warmte en vibraties, die decoherentie veroor­zaken en daarmee fouten introduceren.

De enige oplossing voor dit ­probleem is schaalvergroting. Volgens huidige schattingen ­zullen de meeste qubits in grote, programmeerbare quantum­computers – wellicht vijf op zes – zich bezighouden met fout­correctie in plaats van rekenwerk. Dat ­betekent dat we tot wel een ­miljoen qubits nodig hebben voordat we iets nuttigs kunnen uitrichten. Zo veel qubits voldoende koel houden, en ze hun quantumtoestand lang ­genoeg vast laten houden om een berekening uit te kunnen voeren, is een monumentale­ ­uitdaging.

Het kan nog decennia duren voordat we er zijn, maar de grote spelers zijn in ieder geval op de goede weg. IBM wil in 2023 een machine met 1121 qubits gereed hebben, inclusief een kolossale heliumgekoelde vrieskist waar deze in past. Anderen, waar­onder hoogleraar quantumtechnologie Winfried Hensinger van de Universiteit van Sussex in het VK, proberen de complicaties rondom koeling te omzeilen. Ze schalen momenteel een techniek op die werkt met ingesloten ionen als qubits. Weer anderen voeren berekeningen uit door fotonen rond te sturen op een chip van siliciumnitride. Het voordeel daarvan is dat voor ­dergelijke chips beproefde productieprocessen bestaan.

Luidt het antwoord dus definitief ‘ja’? Dat is helaas te kort door de bocht. Wiskundige Gil Kalai van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem stelt dat de basisruis in een quantumcomputer altijd te hoog zal zijn, ongeacht de hoeveelheid beschikbare qubits. ‘Mijn analyse wijst uit dat foutcorrectie niet mogelijk is’, zegt hij.

Hoogleraar quantuminformatie Sabrina Maniscalco van de Universiteit van Helsinki in ­Finland is eveneens sceptisch. ‘Een remedie vinden tegen omgevingsruis is volgens mij niet een technische, maar eerder een conceptuele en fundamentele kwestie’, zegt ze. ‘Of ik er vertrouwen in heb? Ik zeg liever dat ik hoop koester.’ –MB

Is de quantumtheorie het definitieve antwoord?

De quantumtheorie verwierf haar verheven status door weergaloos accurate voorspellingen te leveren omtrent het gedrag van atomen en moleculen. Daarmee onthulde de theorie de wereld van het zeer kleine in al haar glorieuze vreemdheid. Maar de theorie vertelt in feite weinig over de aard van het universum.

Zo blijven veel van de basisprincipes ­achter de quantumvreemdheid nog altijd onbegrepen. Neem verstrengeling. Dat er een telepathische band bestaat tussen ruimtelijk gescheiden deeltjes tart al onze ideeën over de werking van het heelal. Ook hebben we geen idee hoe de objectieve, klassieke werkelijkheid tijdens een meting opspringt uit de ontelbare toestanden waarin een quantumobject zich kan bevinden (zie ‘Wie of wat laat de golffunctie instorten?’). Dat is een grote tekortkoming.

Het wordt nog erger. Wanneer je een beetje uitzoomt, dan besef je dat je de wetten van de scheikunde – die beschrijven hoe atomen en moleculen zich binden – niet kunt afleiden uit de quantumtheorie. ‘Daarom hebben sommige filosofen zich tegen de notie gekeerd dat de quantummechanica fundamenteel zou zijn’, zegt scheikundefilosoof Vanessa Seifert van de Universiteit van Bristol in het VK. Wanneer je nog veel verder uitzoomt, nemen de problemen verder toe vanwege de onverenigbaarheid van de quantummechanica en de algemene relativiteitstheorie (zie ‘Is de zwaartekracht een quantumkracht?’).

Schrödingers kat 2.0

Al met al is het duidelijk dat we beter ons best moeten doen. Sommigen voorvoelen dat net zoals de klassieke natuurkunde berust op de quantumfysica, de quantum­fysica op een diepere theorie zou berusten. Maar hoe zou die eruit moeten zien? Quantumfysici Ciarán Lee en John ­Selby van het Perimeter-instituut in het Canadese Ontario hebben geopperd dat we ten minste één en wellicht zelfs twee dierbare natuurkundige noties moeten laten ­vallen: causaliteit en het idee dat informatie altijd behouden blijft. Op die manier kun je een diepere theorie opstellen die, onder de juiste omstandigheden, valt te vertalen naar de quantumtheorie zoals we die kennen. Een andere mogelijkheid is dat we het Einsteiniaanse concept van de ruimtetijd dumpen, of het idee van een vrije wil. ‘Er bestaan allerlei manieren waarop de quantumtheorie kan worden gewijzigd’, zegt quantumfysicus Magdalena Zych van de Universiteit van Queensland in Australië. ‘Alleen experimenten kunnen uitwijzen wat juist is’.

Sommige onderzoekers hoopten bijvoorbeeld een onthullende afwijking van de voorspellingen van de quantumtheorie waar te nemen, toen een derde spleet werd toegevoegd aan het klassieke dubbelspletenexperiment dat de golf-deeltjesdualiteit van quantumobjecten toont (zie ‘Wat maakt de quantumtheorie zo vreemd?’). Hun hoop werd de grond ingeboord.

Misschien kunnen we vooruitgang boeken door een nieuwe versie te bedenken van Schrödingers gedachte-experiment rondom de kat. Hoogleraar theoretische natuurkunde Renato Renner en informaticus Daniela Frauchiger van de Technische Universiteit in het Zwitserse Zürich hebben dit onlangs gedaan. In hun versie hebben ze extra waarnemers toegevoegd die uiteindelijk zullen bepalen of de kat leeft of niet. Dat veroorzaakt een gecompliceerd quantumscenario waarin men het niet eens kan worden over de toestand van de kat. In potentie onthult dit een verborgen fout in de quantumtheorie – al weet nog niemand wat voor fout.

Nog vreemder

Theoretisch natuurkundige Chiara Marletto van de Universiteit van Oxford hoopt dat de problemen van de quantumtheorie ons zullen dwingen de hele natuurkunde op een andere manier te benaderen. De traditionele manier waarop natuurwetten worden geformuleerd, gaat ervan uit dat bewegings- of veranderingswetten, samen met enkele beginvoorwaarden, de enige dingen zijn waarmee we het universum kunnen begrijpen. ‘We lopen tegen een struikelblok aan’, zegt ze. ‘Deze benadering schiet tekort wanneer het aankomt op de natuurkunde die schuilt achter informatie, het leven en de thermodynamica’, zegt ze. Haar nieuwe invalshoek, constructortheorie genaamd, beoogt de natuurkundige theorieën te herformuleren in ­t­­ermen van ‘tegenfeitelijke’ wetten over wat wel en niet kan gebeuren.

Theoretisch natuurkundige Carlo Rovelli van de Universiteit van Aix-Marseille in Frankrijk denkt aan de andere kant dat geen enkele diepere theorie ons zal bevrijden van de vreemdheid van de quantumtheorie. ‘Misschien vinden we iets dat dieper gaat dan de quantumtheorie’, zegt hij. ‘Niets is immers definitief en het laatste woord. Maar als dat inderdaad gebeurt, verwacht ik dat het ons nog vreemder zal voorkomen dat de quantumtheorie’.

De andere mogelijkheid is natuurlijk dat zo’n diepere theorie niet bestaat. ‘Er is simpelweg geen garantie dat welke wiskundige theorie dan ook het heelal op een waarheidsgetrouwe en complete manier kan weergeven’, zegt Zych. –MB

---

Tekst: Philip Ball, Abigail Beall, Michael Brooks, Anna Demming, Miriam Frankel, Thomas Lewton en Richard Webb

---

Dit artikel is verschenen in New Scientist 95. Deze editie vind je in ons digitaal archief.