Logo Universiteit Utrecht

De Natuurkunde Top 10

Zombiekatten, Hackers & Quantum computers

Quantummechanica

Je kent vast wel het spel Annemaria koekoek. Als je niet kijkt mogen jouw vrienden bewegen om dichterbij te komen, maar zodra je kijkt moeten ze stilstaan. Natuurkundige onderzoekers vroegen zich zo’n 100 jaar geleden af of de natuur ook Annemaria koekoek met hun speelt. Als ze een meting doen, zou het kunnen dat het systeem zich anders gaan gedragen door die meting.

Voordat je verder leest, het volgende: de zombiekat in deze uitleg is bedacht door de natuurkundige Erwin Schrödinger. Hij wilde hiermee laten zien hoe bijzonder kleine deeltjes zich gedragen. In het echt zijn er (helaas?) geen zombiekatten maar kleine deeltjes gedragen zich wel op de manier die we hieronder beschrijven.

De natuurkundige Erwin Schrödinger ongetwijfeld ook Annemaria koekoek gespeeld en heeft daar een belangrijk natuurkundig principe van afgeleid: Het kijken beinvloedt het systeem wat je bekijkt. Hij bedacht daarom een luguber experiment: Neem een kat en stop die in een doos zodat je hem niet meer kan zien. In die doos zit een doem-apparaat dat een muntje gooit. Als het kop is, laat het apparaat een gifgas los en gaat de kat dood. Als het munt is, blijft de kat leven. Erwin kan het doem-apparaat ook niet zien en weet dus niet of de kat dood of levend is. Dat weet hij pas als hij in de doos zou kijken.

Reminder: Dit is een gedachten-experiment. Dat betekent dat het nooit echt is uitgevoerd. De bedoeling van het gedachten-experiment is om een beeld te vormen bij het onderliggende natuurkundige mechanisme.

Nu kijkt Erwin in de doos en ziet hij dat de kat gelukkig levend is. Maar Erwin vraagt zich af of de kat voordat hij keek ook levend was. Waarschijnlijk denk je nu dat de kat voor het kijken ook al levend was. Maar Erwin denkt aan het spel Annemaria koekoek. Als hij kijkt staat iedereen stil, maar voordat hij keek bewogen zijn vrienden alle kanten op. Het kijken bepaalt de waarneming! Als nederige wetenschapper moet Erwin daarom concluderen dat hij niet weet of de kat levend of dood is voordat hij kijkt. De kat is op dat moment zowel levend als dood. Een zombiekat dus! Weteschappers doen graag wat formeler en noemen dit het superpositie principe in plaats van het zombiekat principe. Pas als Erwin in de doos kijkt floept de toestand van de kat naar levend.

Dit klinkt als de grootste onzin, maar de natuur blijkt echt zo te werken voor kleine deeltjes, en het onderdeel van de natuurkunde die zulke kleine deeltjes beschrijft heet quantummechanica. Er zijn namelijk experimenten gedaan waar een klein deeltje op een doek wordt geschoten. Het deeltje kan overal op het doek terecht komen. Als de onderzoekers het deeltje volgen voordat hij het doek raakt, zien ze op het doek maar één diepe beschadiging van waar het deeltje is gebotst. Maar als ze het deeltje niet volgen en alleen naar het doek kijken, zien ze dat het doek overal gelijkmatig beschadigd is. Het deeltje is dus een klein beetje overal tegelijkertijd!

Quantumcomputers

Het leuke aan vreemde natuurkunde is niet alleen dat het je wereld op zijn kop kan zetten, maar ook dat je het kan gebruiken in nieuwe technologie. Een toepassing van het zombiekat principe is de quantumcomputer. Onze bestaande computers zijn al heel goed in het oplossen van problemen. Maar zelfs de nieuwste computers hebben voor sommige problemen veel tijd nodig om ze op te lossen. Dat komt omdat de computer veel pogingen moet doen. Als een computer bijvoorbeeld een legpuzzel moet maken, probeert hij iedere mogelijke samenstelling van de stukjes, totdat hij de juiste heeft gevonden.

Een quantumcomputer probeert in één poging alle mogelijkheden tegelijk. Tijdens de berekening mogen we dus niet kijken, zodat het systeem inderdaad in superpositie kan zijn van alle mogelijkheden. Door vervolgens na de berekening te kijken naar de toestand floept het systeem in de juiste uitkomst. Daarmee kunnen quantumcomputers bepaalde problemen dus veel sneller oplossen.

Er zijn al kleine quantumcomputers, maar die zijn nog erg duur en hebben erg veel stroom nodig. Een grote uitdaging in het maken van grotere quantumcomputers is het controleren dat er geen fouten worden gemaakt tijdens de berekening, we mogen namelijk niet kijken! Onderzoekers zijn daar nu mee bezig om dat op te lossen.

Cryptografie

Een gevaar van quantumcomputers is dat ze opeens heel gemakkelijk codes en passwords kunnen kraken. Dat doen ze namelijk op dezelfde manier: door gewoon alle mogelijkheden tegelijk te proberen. Gelukkig bieden zombiekatten hier weer een oplossing voor: Quantumcommunicatie kanalen die niet afgeluisterd en gehackt kunnen worden. Deze manier van communicatie heet het BB84 protocol. Dit maakt gebruik van verstrengeling; een bijzondere eigenschap die zombiekatten kunnen hebben die in de top 5 (Teleportatie) wordt uitgelegd.

Meer info?

Leuke filmpjes:

Interessante artikelen en websites: