Hoofdbanner

In de natuurkunde kun je drie verschillende werelden onderscheiden. Die van het gewone alledaagse leven, die van de zeer grote afstanden en die van de hele kleine deeltjes.

In het gewone dagelijkse leven voldoen de wetten van Newton. Deze grote geleerde legde in 1687 met zijn Principia Mathematica de grondslag voor het huidige wetenschappelijke denken. Door algemeen geldende wiskundige formules op te stellen voor de mechanische verschijnselen in de natuur kon mede door Newton de techniek zich zo succesvol ontwikkelen. De industriële revolutie was het gevolg. Het heeft de wereld ingrijpend veranderd en in de toekomst zal er nog meer veranderen. In technische richting, wel te verstaan. Het heeft de mens materieel veel voorspoed gebracht. Veel menselijke arbeid werd ons hiermee letterlijk uit handen genomen. Denk aan de stofzuiger, wasmachine, vaatwasser, machines in de landbouw, in de industrie, auto's, vliegtuigen etc.

Er is ook een wereld van de grote afstanden. Denk daarbij aan het heelal met zijn miljarden sterrenstelsels die ieder op zich weer uit miljarden sterren bestaan. Het is nauwelijks te bevatten hoe groot die ruimte is. Hier gelden andere wetten dan bij ons op aarde. Dit resulteerde in de jaren 1905 en 1915 in de befaamde speciale en algemene relativiteitstheorie van Einstein. De tijd blijkt afhankelijk te zijn van de snelheid waarmee een voorwerp zich voortbeweegt, de lengte neemt dan af, in de buurt van materie is er sprake van een kromming van de ruimte, hetgeen in 1919 overtuigend door Eddington is aangetoond, massa en energie zijn elkaars equivalenten, dat wil zeggen, massa (materie dus) kan omgezet worden in energie (hetgeen in de zon en sterren gebeurt) en andersom, vanuit energie kun je materie maken.

Op het gebied van de hele kleine deeltjes, bijvoorbeeld elektronen, gelden de wetten van de quantummechanica. Dit is een bizarre wereld, waar elk gevoel voor logica afhaakt. Er gebeuren dingen die in de gewone wereld niet kunnen. Deeltjes kunnen op twee plaatsen tegelijk zijn, kunnen met zichzelf interfereren (waarbij ze zichzelf al botsend tussen wanden tegenkomen en met zichzelf een constructie aangaan waarbij ze in verschillende toestanden tegelijk kunnen voorkomen), deeltjes zijn eigenlijk golven die voldoen aan een waarschijnlijkheidsverdeling, zitten dus nooit op één bepaalde plek, kunnen ook terecht komen waar ze niet terecht kunnen komen, volgens het zogenaamde tunneleffect, en blijken vaak op een geheime manier met elkaar verstrengeld te zijn. Dit laatste noemt men entanglement.

Deze laatste eigenschap zal men in de toekomst steeds meer gaan toepassen in de wereld van het berichten versturen via de computer. De computers van de toekomst zullen quantumcomputers zijn, werkend met quantumbits. Een gewone computer werkt met nullen en enen. Er is wèl een signaal (een spanning, dus een 1), of er is geen signaal (geen spanning, dus een 0). Eén gewone bit heeft zodoende twee mogelijkheden. Twee bits hebben dan vier mogelijkheden, 10 bits twee tot de macht tien = 1024 etc. Tegenwoordig werkt men met gigabytes, met als gevolg waanzinnig veel mogelijkheden. Toch zit ook hier een grens aan de capaciteit. 
Quantumcomputers bestaan niet uit nullen en enen, maar uit waarschijnlijkheden om ergens tussen een 0 en een 1 in te zitten. Dat maakt het aantal mogelijkheden onvoorstelbaar veel groter. Een nieuwe technologische revolutie zal het gevolg zijn. De verwachting is dat die zich binnen 10 jaar zal voltrekken. Maar niet alleen de capaciteit van computers zal drastisch toenemen, ook de manier waarop wij berichten versturen zal anders zijn. Namelijk, berichten kunnen in de toekomst niet meer onderschept worden! Het tijdperk van hacken zal voorbij zijn. Dit heeft te maken met de verstrengeling van deeltjes of fotonen. Deze hebben op zichzelf verschillende eigenschappen, quantumeigenschappen genaamd zoals spin, polarisatie en fase. Deze eigenschappen zijn verstrengeld met andere deeltjes of fotonen. Dat betekent in de praktijk dat als A een bericht stuurt naar B, dat in eerste instantie niets vastligt. Pas op het moment dat B het bericht leest, is bekend wat A verstuurd heeft. Stel dat C het bericht ergens onderweg heeft onderschept, dan kunnen zowel A als B zien dat er iets veranderd is aan de informatie. Tegelijk is voor C alle informatie vernietigd, omdat hij de verstrengeling "onderbroken' heeft. C heeft er dus niets aan, terwijl hij wel te traceren is als degene die een poging tot hacken heeft gedaan. 

In Nederland wordt dit laatste sinds vorig jaar al toegepast door KPN, in datacentra in Den Haag en Rotterdam. Maar de huidige quantumverstrengeling werkt nog traag. Onderzoekers in Singapore en de Verenigde Staten hebben afgelopen jaar een versnelde methode ontwikkeld door nog meer variabelen in te passen. Ze bereikten met deze techniek een snelheid van enkele megabits per seconde over een afstand van zo'n 80 kilometer. Ze hebben hun bevindingen gepubliceerd in het afgelopen novembernummer van Science Advances.

Sinds vier jaar is het onderwerp Quantumwereld een verplicht onderdeel van het eindexamen natuurkunde van het Vwo. Terecht, hoewel vrijwel alle leerlingen er weinig plezier aan hebben. Het is te ongrijpbaar voor hen, te buitenissig, niet met het gewone verstand te begrijpen. Het juist zo pril door hen ontwikkelde wetenschappelijke denken is hier niet toe te passen. Mijn constatering is dat het ze onzeker maakt. 
Toch zal dit de toekomst zijn. Wanneer onze eigen Erik Verlinde dan ook nog zijn nieuwe theorie, dat de wereld opgebouwd is uit de allerkleinste ruimtes die er mogelijk zijn, de zogenaamde Planckruimtes, waarin zich precies één bit aan informatie kan bevinden, wanneer deze theorie door experimenten bevestigd kan worden, ja dan gaat de wereld er echt anders uitzien. Een toegepaste quantumwereld waarin niets is wat het lijkt.