Nobelprijs voor de natuurkunde 2025: kwantummechanica van micro tot macro

Precies 100 jaar na de ontdekking van de kwantummechanica werden in 2025 tijdens de Nobelprijs voor Natuurkunde drie Amerikaanse wetenschappers geëerd die aantoonden dat vreemde kwantumeffecten op grote schaal kunnen optreden. Daarmee luidden ze een nieuw tijdperk in voor de kwantumtechnologie.

Wetenschappers John Clarke, Michel H. Devoret en John M. Martinis werden op 7 oktober in Stockholm, Zweden, tijdens een persconferentie bekendgemaakt als de winnaars van de Nobelprijs voor de Natuurkunde van dit jaar door de Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen. - Foto: REUTERS

In 1925 ontdekten de natuurkundigen Heisenberg, Schrödinger en Dirac de kwantummechanica: een vreemde ontdekking die de wereld zou veranderen.

Precies 100 jaar later werd de Nobelprijs voor Natuurkunde van 2025 toegekend aan drie Amerikaanse natuurkundigen die het kwantumtunneleffect - een vreemd microscopisch kwantumeffect - naar de macroscopische wereld brachten en daarmee veel baanbrekende toepassingen mogelijk maakten.

Het is geweldig om te kunnen vieren hoe eeuwenoude kwantummechanica steeds weer voor nieuwe verrassingen zorgt. Het is ook ongelooflijk nuttig, omdat kwantummechanica de basis vormt van alle digitale technologie .

Olle Eriksson (voorzitter van het Nobelcomité voor de natuurkunde)

Doorbraak in de ontdekking van het tunneleffect

Drie Amerikaanse natuurkundigen, John Clarke, Michel H. Devoret en John M. Martinis, kregen de Nobelprijs voor Natuurkunde 2025 voor "de ontdekking van macroscopische kwantumtunneleffecten en energiekwantificering in elektrische circuits", aldus de aankondiging van het Nobelcomité.

De prijs van dit jaar beloont een reeks experimenten die zij in 1984 en 1985 uitvoerden op supergeleidende circuits, waarmee ze aantoonden dat 'tunneling' - het fenomeen waarbij deeltjes door barrières heen dringen en dat alleen kan voorkomen in de kwantummechanica - op veel grotere schaal kan plaatsvinden dan voorheen werd gedacht.

Professor John Clarke, die in 1968 zijn doctoraat behaalde aan de Universiteit van Cambridge, is sinds 1969 hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Californië, Berkeley. Momenteel is hij emeritus hoogleraar aan de Graduate School van de universiteit.

Michel H. Devoret, geboren in Parijs en aldaar gepromoveerd, is emeritus hoogleraar toegepaste natuurkunde aan het Yale Quantum Institute van de Yale-universiteit.

John M. Martinis is gepromoveerd aan de Universiteit van Californië, Berkeley. Na zijn werk als docent aan de universiteit werkte hij recentelijk bij de quantum AI-groep van Google.

Halverwege de jaren tachtig trad de heer Devoret als postdoctoraal onderzoeker toe tot de onderzoeksgroep van de heer Clarke, samen met zijn promovendus Martinis. Samen gingen ze de uitdaging aan om het kwantumtunneleffect op macroscopisch niveau aan te tonen.

In hun experimenten bouwden de drie wetenschappers circuits van supergeleiders die elektrische stroom zonder weerstand konden geleiden. Door de eigenschappen van het circuit aan te passen en te meten, konden ze de optredende verschijnselen beheersen. Geladen deeltjes die door de supergeleider bewogen, vormden een systeem dat zich gedroeg alsof ze één enkel deeltje waren dat het hele circuit vulde.

Dit deeltjessysteem bevindt zich aanvankelijk in een toestand waarin de stroom vloeit zonder dat er spanning op staat, alsof het wordt geblokkeerd door een ondoordringbare barrière.

In het experiment vertoonde het systeem kwantumeigenschappen door aan deze toestand te ontsnappen via het kwantumtunneleffect. De drie wetenschappers toonden ook aan dat het systeem gekwantiseerd was, wat betekent dat het slechts specifieke hoeveelheden energie absorbeerde of uitzond.

Illustratie van het kwantummechanische tunneleffect: gooi een bal tegen een muur en hij stuitert terug. Maar gooi een microscopisch deeltje en het gaat door de muur. Dit effect neemt meestal af bij een grote groep deeltjes, en daarom zien we in het dagelijks leven nooit iemand door een muur gaan - Foto: JOHAN JARNESTAD/Zweedse Academie van Wetenschappen

De weg vrijmaken voor kwantumtechnologie

Het experiment heeft belangrijke gevolgen voor het begrip van de kwantummechanica. Voorheen waren macroscopische kwantummechanische effecten gebaseerd op de combinatie van vele microscopisch kleine deeltjes die verschijnselen zoals lasers, supergeleiders en superfluïda produceerden. De experimenten van de drie Nobelprijswinnende natuurkundigen van dit jaar produceerden echter een direct macroscopisch effect.

Dit type macroscopische kwantumtoestand opent nieuwe mogelijkheden voor experimenten die gebruikmaken van verschijnselen die de microscopische wereld beheersen. Het kan worden gezien als een soort kunstmatig atoom op grote schaal, gebruikt om andere kwantumsystemen te simuleren en te helpen bestuderen.

Een belangrijke toepassing was de quantumcomputer die Martinis later implementeerde. Hij gebruikte precies de energiekwantificering die hij en zijn twee mede-Nobelprijswinnaars hadden gedemonstreerd, door circuits te gebruiken met gekwantiseerde toestanden als quantumbits of qubits, waarbij de laagste energietoestand 0 was en de hoogste 1.

Supergeleidende circuits zijn een van de technieken die worden onderzocht bij de ontwikkeling van quantumcomputers. Martinis was van 2014 tot 2020 hoofd van de onderzoeksgroep quantumcomputing van Google.

De heer Clarke zei dat hun onderzoek de weg had vrijgemaakt voor technologische vooruitgang, zoals de geboorte van mobiele telefoons. Het Nobelcomité bevestigde ook: "Er is tegenwoordig geen geavanceerde technologie die niet gebaseerd is op de kwantummechanica, waaronder: mobiele telefoons, camera's... en glasvezelkabels."

Wanneer natuurkunde en scheikunde elkaar ontmoeten in de kwantumtunnel

De Nobelprijs voor Natuurkunde 2025 werd toegekend aan drie wetenschappers voor hun ontdekkingen in de kwantummechanica 40 jaar geleden. Deze uitslag is niet zo verrassend, aangezien UNESCO 2025 heeft uitgeroepen tot Internationaal Jaar van de Kwantumwetenschap en -technologie.

Het Nobelcomité stelde: "Kwantummechanica is de basis van alle digitale technologie... Hun experimenten legden de basis voor nieuwe technologische ontwikkelingen gebaseerd op kwantumprincipes."

Deze drie natuurkundigen ontdekten het tunneleffect en bepaalden de energiesprongen in elektrische circuits. Het tunneleffect werd al snel een centraal concept in de verklaring van veel chemische reacties.

Je kunt het je eenvoudig voorstellen als bij het passeren van de Hai Van-pas: reactanten moeten vaak met zeer hoge energie 'de pas beklimmen', maar soms 'gaan ze door de tunnel' en overwinnen zo sneller de energiebarrière om een ​​reactie op gang te brengen.

Tunneling wordt op universitair niveau onderwezen in leerboeken over chemische kinetiek en wordt gemodelleerd met behulp van kwantummethoden bij het berekenen van reactiesnelheidsconstanten. Natuurkunde en scheikunde gaan, wederom, wonderwel samen.

Prof. Nguyen Minh Tho - Ereprofessor aan de KU Leuven Universiteit, België

Terug naar het onderwerp

DR. NGUYEN TRUNG DAN

Bron: https://tuoitre.vn/nobel-vat-ly-2025-co-hoc-luong-tu-tu-vi-mo-den-vi-mo-20251007222830181.htm