Alain Aspect, John Clauser en Anton Zeilinger hebben de Nobelprijs voor natuurkunde 2022 gewonnen. Het trio won “voor hun experimenten met verstrengelde fotonen, waarmee de schending van de ongelijkheden van Bell werd vastgesteld en baanbrekende kwantuminformatiewetenschap werd verricht”.
De prijs wordt in december in Stockholm uitgereikt en heeft een waarde van 10 miljoen kronen ($900,000). Het wordt gelijkelijk verdeeld onder de winnaars.
De drie laureaten werkten onafhankelijk van elkaar en voerden belangrijke experimenten uit die de kwantumeigenschap van verstrengeling vaststelden. Dit is een merkwaardig effect waarbij twee of meer deeltjes veel sterkere correlaties vertonen dan mogelijk is in de klassieke natuurkunde. Verstrengeling speelt een belangrijke rol bij kwantumcomputers, die in principe bij sommige taken beter zouden kunnen presteren dan conventionele computers.
De ongelijkheid van Bell
Bij alle drie de experimenten werden schendingen van de ongelijkheid van Bell gemeten, wat een limiet stelt aan de correlaties die in een klassiek systeem kunnen worden waargenomen. Dergelijke schendingen zijn een belangrijke voorspelling van de kwantumtheorie.
Het eerste experiment werd in 1972 uitgevoerd aan de Universiteit van Californië in Berkeley door Clauser, die de correlaties mat tussen de polarisaties van paren fotonen die ontstonden bij een atomaire overgang. Hij toonde aan dat de ongelijkheid van Bell werd geschonden – wat betekende dat de fotonparen verstrengeld waren.
Er waren echter verschillende tekortkomingen of ‘mazen in de wet’ in dit experiment, waardoor het niet doorslaggevend was. Het is bijvoorbeeld mogelijk dat de gedetecteerde fotonen geen eerlijke steekproef waren van alle fotonen die door de bron werden uitgezonden – wat de maas in de detectie is. Het is ook mogelijk dat sommige aspecten van het experiment, waarvan men denkt dat ze onafhankelijk zijn, op de een of andere manier causaal met elkaar verbonden waren – wat de lokale maas in de wet is.
Tien jaar later, in 1982, verbeterden Aspect en collega's van de Université Paris-Sud in Orsay, Frankrijk, het experiment van Clauser door een tweekanaals detectieschema te gebruiken. Hierdoor werden geen aannames gedaan over de gedetecteerde fotonen. Tijdens hun metingen varieerden ze ook de oriëntatie van de polarisatiefilters. Opnieuw ontdekten ze dat de ongelijkheid van Bell werd geschonden.
Derde maas in de wet
De maas in de wet werd in 1998 gedicht door Zeilinger en collega's van de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk. Ze gebruikten twee volledig onafhankelijke kwantumgeneratoren voor willekeurige getallen om de richtingen van de fotonmetingen te bepalen. Als gevolg hiervan werd op het laatste moment bepaald in welke richting de polarisatie van elk foton werd gemeten, zodat geen enkel signaal dat langzamer reist dan de lichtsnelheid informatie naar de andere kant zou kunnen overbrengen voordat dat foton werd geregistreerd.
De drie experimenten bevestigden niet alleen een fundamentele voorspelling van de kwantummechanica, maar legden ook de basis voor de ontwikkeling van moderne kwantumtechnologieën.
Tijdens de persconferentie toen de prijs werd bekendgemaakt, zei Zeilinger dat hij “zeer verrast” was toen hij een telefoontje kreeg van het Nobelcomité. “Deze prijs is een aanmoediging voor jongeren en de prijs zou niet mogelijk zijn zonder de ruim honderd jongeren die door de jaren heen met mij hebben samengewerkt. Ik alleen had dit niet kunnen bereiken.”
Zeilinger zei ook dat hij hoopte dat de prijs jonge onderzoekers zou aanmoedigen.
“Mijn advies aan jongeren is: doe wat je interessant vindt en let niet te veel op mogelijke toepassingen. Aan de andere kant is deze erkenning van groot belang voor de toekomstige ontwikkeling van mogelijke toepassingen. Ik ben benieuwd wat we de komende tien tot twintig jaar zullen zien.”
Een diepgaande impact
Sheila Rowan, voorzitter van het Institute of Physics, dat publiceert Natuurkunde wereld, feliciteerde het trio met hun “welverdiende” erkenning. "Dit is een gebied van de natuurkunde met een voortdurende, diepgaande impact, op een fundamenteel niveau om de wereld om ons heen te helpen begrijpen en dat momenteel wordt onderzocht voor gebruik in zeer nieuwe technologieën voor detectie en communicatie", voegde ze eraan toe.
Kwantumfysicus Artur Ekert van de Universiteit van Oxford zegt dat hij weliswaar “blij” is om te zien dat het veld en het trio dit jaar worden erkend met de Nobelprijs, maar dat hij eraan toevoegt dat het “jammer” is dat John Bell, die de ongelijkheden formuleerde, het gemist heeft, aangezien hij stierf in 1990 en de Nobelprijzen worden niet postuum toegekend.
Ekert voegt eraan toe dat de komst van kwantumcryptografie een extra motivatie heeft opgeleverd om de Bell-ongelijkheidsexperimenten tot het uiterste te drijven. “Vanuit wetenschappelijk perspectief denk ik dat de Bell-ongelijkheidsexperimenten gewoon moesten worden uitgevoerd – ze weerleggen een bepaald wereldbeeld en daarom zijn ze belangrijk”, voegt Ekert toe. “Het oplossen van alle mazen in dergelijke experimenten is een ander verhaal. Dit is waarschijnlijk belangrijker voor het kwantumcryptografieperspectief, want als we Bell-ongelijkheden willen gebruiken om afluisteren te detecteren, moeten we de mazen in de wet sluiten.’
Er kwamen inderdaad ook felicitaties van degenen die het werk van Aspect, Clauser en Zeilinger voor praktische toepassingen proberen te gebruiken. In een gezamenlijke verklaring zeggen Ilyas Khan en Tony Uttley, respectievelijk CEO en president van het kwantumtechnologiebedrijf kwantum, merkten op dat ze blij waren met de aankondiging.
“Deze erkenning van de kracht van kwantuminformatiesystemen komt in veel opzichten op het juiste moment, maar is bovenal een prachtige erkenning van het feit dat experimentele vooruitgang ten grondslag ligt aan de revolutie op het gebied van kwantumtechnologieën waar we aan beginnen.”
Een leven in de wetenschap
Aspect werd geboren in Agen, Frankrijk, op 15 juni 1947. Hij slaagde in 1969 voor het “agrégation” – het nationale Franse examen – in de natuurkunde en behaalde twee jaar later zijn masterdiploma aan de Université d'Orsay. Vervolgens begon hij aan een doctoraat in Orsay, waar hij werkte aan experimentele tests van de ongelijkheden van Bell, die hij in 1983 voltooide.
Na een lectoraat aan de Ecole Normale Supérieure de Cachan, dat Aspect bekleedde terwijl hij promoveerde, werkte hij in 1985 aan het Collège de France in Parijs. In 1992 verhuisde hij vervolgens naar het Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique aan de Université Paris-Saclay.
Clauser werd geboren in Pasadena, Californië, op 1 december 1942. Hij behaalde zijn bachelordiploma in natuurkunde aan het California Institute of Technology in 1964 en een masterdiploma in natuurkunde twee jaar later. In 1969 promoveerde hij in de natuurkunde aan de Columbia University.
Van 1969 tot 1975 was Clauser onderzoeker bij het Lawrence Berkeley National Laboratory en van 1975 tot 1986 werkte hij bij het Lawrence Livermore National Laboratory. Na een periode als senior wetenschapper bij het Amerikaanse bedrijf Science Applications International Corporation, verhuisde hij in 1990 tot 1997 naar de University of California, Berkeley, waar hij zich vervolgens concentreerde op zijn onderzoeks- en adviesbureau JF Clauser & Associates.
Anton Zeilinger: een kwantumpionier
Zeilinger werd geboren in Ried im Innkreis, Oostenrijk, op 20 mei 1945. In 1963 begon hij natuurkunde en wiskunde te studeren aan de Universiteit van Wenen en in 1971 promoveerde hij in de atoomfysica. Daarna werkte hij tot 1983 bij het Atoominstituut in Wenen voordat hij naar de Technische Universiteit van Wenen ging.
In 1990 verhuisde Zeilinger naar de Universiteit van Innsbruck en in 1999 werkte hij aan de Universiteit van Wenen, waar hij van 2004 tot 2013 ook directeur werd van het in Wenen gevestigde Instituut voor Quantum Optica en Quantum Informatie. In 2013 was hij president van de Oostenrijkse Academie. of Sciences, een functie die hij tot dit jaar bekleedde.
