Wetenschap eenvoudig gemaakt: wat is kwantummechanica?

Deze mijlpaaltheorie ontstond in het begin van de 20e eeuw en werd in de 21e eeuw op grote schaal gebruikt in de echte wereld. Argonne-wetenschapper Harmon en vele andere wetenschappers passen de kwantummechanica toe in het laboratorium en ontwikkelen technologieën die op een dag de samenleving en ons begrip van het universum kunnen transformeren. Kwantumsensoren kunnen voorheen niet-detecteerbare kankercellen detecteren. Een quantum-internet zou ervoor kunnen zorgen dat informatie- en datacommunicatie hackerproof is. Kwantumcomputers kunnen complexe problemen oplossen die klassieke computers niet kunnen. De kwantumtheorie zal ook ons ​​begrip van het universum blijven vergroten, van de ingewikkelde dynamiek diep in atomen tot de grote kosmische gebeurtenissen rond de geboorte van het universum.

In het begin van de 20e eeuw begonnen wetenschappers de kwantummechanica te ontwikkelen om een ​​reeks experimentele resultaten te verklaren die met geen enkele andere verklaring verklaard konden worden. Tegenwoordig gebruiken wetenschappers deze theorie om krachtige technologieën te creëren: onbreekbare berichtenuitwisseling, snellere ontdekking van medicijnen en beelden van hogere kwaliteit op mobiele telefoons en televisieschermen.

Dus, wat is kwantum? In bredere zin kan het woord 'kwantum' verwijzen naar de kleinst mogelijke hoeveelheid van iets. Het vakgebied van de kwantummechanica bestudeert de meest fundamentele materie, energie en licht, en de manier waarop deze op elkaar inwerken om de wereld te vormen.

In tegenstelling tot de manier waarop we gewoonlijk over de wereld denken, waarbij we ons voorstellen dat dingen individueel de eigenschappen van deeltjes of golven hebben (zoals honkballen en oceaangolven), werkt dit concept niet in de kwantummechanica. Afhankelijk van de omstandigheden kunnen wetenschappers waarnemen dat hetzelfde kwantumobject de eigenschappen van een deeltje of een golf heeft. Licht kan bijvoorbeeld niet worden beschouwd als alleen maar fotonen (een soort lichtdeeltje) of alleen maar lichtgolven, omdat we beide gedragingen in verschillende experimenten kunnen waarnemen.

Op gewone dagen zien we de dingen slechts in één ‘staat’ tegelijk: hier of daar, bewegend of stilstaand, met de goede kant naar boven of met de staart naar boven. In de kwantummechanica is de toestand van een object niet altijd eenvoudig. Voordat we bijvoorbeeld de locatie van een reeks kwantumobjecten bepalen, kunnen deze bestaan ​​in een superpositie (of een speciale combinatie) van een of meer locaties. Verschillende mogelijke toestanden combineren en interfereren met elkaar, zoals golven in een vijver, en een object heeft pas een definitieve positie nadat we het hebben waargenomen. Superpositie is een van de belangrijkste kenmerken die kwantumcomputers mogelijk maken, omdat we hierdoor informatie op nieuwe en nuttige manieren kunnen weergeven.

Een ander interessant kwantumgedrag is tunnelen, waarbij kwantumobjecten (zoals elektronen) soms door anderszins ondoordringbare obstakels kunnen gaan. Dit gebeurt omdat superpositie ervoor zorgt dat een elektron een kleine kans heeft om aan de andere kant van de barrière te verschijnen. Kwantumtunneltechnologie heeft toepassingen op gebieden als flash-geheugenapparaten, krachtige microscopen en kwantumcomputers.

Wanneer kwantumobjecten op elkaar inwerken, zijn ze met elkaar verbonden via een verbinding die verstrengeling wordt genoemd. Deze verbinding blijft behouden, zelfs als objecten ver uit elkaar staan. Einstein noemde het de ‘geest van de afstand’. Wetenschappers gebruiken het voor ultraveilige communicatie, en het is ook een essentieel kenmerk van quantum computing.

Bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) gebruiken wetenschappers expertise en onderzoeksfaciliteiten van wereldklasse om kwantumtechnologieën te ontwikkelen voor het opslaan, verzenden en beschermen van informatie, en om ons universum te bestuderen, van de complexe dynamiek diep in atomen tot gebeurtenissen zo groots als de geboorte van het universum. Argonne leidt ook Q-NEXT (het National Quantum Information Science Research Center van het Amerikaanse ministerie van Energie), dat kwantummaterialen en -apparaten ontwikkelt en de kracht van kwantumtechnologie toepast op communicatie.