Nobelprijs voor Natuurkunde gaat naar experiment dat quantumfysica demonstreerde

Een drietal wetenschappers heeft dit jaar de Nobelprijs voor Natuurkunde gewonnen. Het gaat om John Clarke, Michel H. Devoret en John M. Martinis, die verschillende quantumfenomenen demonstreerden op een elektrische schakeling, waaronder quantumtunneling.

Met de ontdekking van het drietal wetenschappers werden effecten als quantumtunneling gedemonstreerd op een chip. Dat is een fenomeen waarbij een deeltje als een atoom of elektron door een barrière breekt, terwijl dat deeltje die klassiek gezien niet voldoende energie had om dat te doen. Het Nobelcomité vergelijkt het fenomeen met een kind dat een bal tegen een muur aangooit, waarna die bal plotseling achter de muur verschijnt in plaats van terug stuitert.

Normaliter worden deze effecten nihil bij een grotere hoeveelheid deeltjes. Zaken als quantumtunneling waren daarom alleen zichtbaar op zeer kleine schaal. John Clarke, Michel H. Devoret en John M. Martinis, alle drie professors op Amerikaanse universiteiten, observeerden quantumtunneling echter voor het eerst op een 'macroscopisch niveau', oftewel op een systeem dat groot genoeg was om in de hand vast te houden, aldus de aankondiging van de prijsuitreiking.

Bron: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

De Nobelprijswinnaars deden in 1984 en 1985 experimenten op een chip met twee supergeleidende componenten, waarin deeltjes zonder spanning bewegen. Die werden van elkaar gescheiden door een isolerend materiaal. Het systeem zit dan vast in een staat waarin stroom beweegt zonder spanning en normaliter is er onvoldoende energie om uit die staat te ontsnappen.

In het experiment wisten de wetenschappers alsnog een elektrische spanning te genereren, iets wat aantoont dat quantumtunneling plaatsvindt. Ze toonden ook aan dat het systeem 'gekwantiseerd' was, wat betekent dat het alleen energie in specifieke hoeveelheden absorbeert of uitstoot.

Volgens het Nobelcomité gebruikt vrijwel alle moderne technologie quantummechanica, van telefoons en computers tot glasvezelkabels en camera's. Het comité zegt dat de ontdekkingen van Clarke, Devoret en Martinis quantumfysica hebben verplaatst van de onzichtbare, subatomaire wereld naar een elektrische chip. De experimenten hebben daarnaast het grondwerk gelegd voor huidige pogingen om quantumcomputers te bouwen. De drie winnaars delen een prijs van 11 miljoen Zweedse kronen, wat neerkomt op ongeveer 1 miljoen euro.

Een illustratie voor het Nobelprijs-winnende quantumexperiment. Bron: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Reacties (32)

[- peter -]

Heel cool! Ik moet maar eens een boek opzoeken over quantum mechanica. Maar ben wel benieuwd, wat van de quantum mechanica dan gebruikt word in onze mobieltjes e.d.? Wat zijn zaken die daardoor mogelijk zijn geworden? Ik dacht altijd dat t vooral effecten waren op heel klein niveau, met alleen quantum computers als echt iets wat je ermee kon. Maar niet dus?

[Reactie gewijzigd door - peter - op 7 oktober 2025 20:38]

[skimine]

Alles wat berust op een conversie van licht (fotonen) naar elektriciteit (elektronen) is een gevolg van het foto-elektrisch effect, een van de eerste verschijnselen waar de golf-deeltje-dualiteit op is gebaseerd. Dit is een integraal onderdeel van de kwantummechanica. Enkele voorbeelden: LED's, camerasensoren, beeldschermen, zonnepanelen, nachtkijkers.

Een ander concept dat berust op de kwantummechanica is de werking van kwantumdots/kwantumstippen. Deze zijn vooral bekend van de marketingmaterialen van televisiefabrikanten: "QLED", "QD-OLED". Hiermee kan straling van een hogere energie naar een precies gedefinieerde lagere energie worden omgezet. Daarmee zijn heel specifiek bepaalde kleuren te maken, wat interessant is voor televisies. Hoe "puurder" de basiskleuren gemaakt kunnen worden, hoe preciezer hiermee kleuren gemengd kunnen worden.


Dan mijn favoriete toepassing van tunneling: Scanning tunneling microscopy.

Daarbij wordt het tunneleffect gebruikt om oppervlakken op een atomair niveau vast te leggen. Ook is hiermee de elektronische structuur in beeld te brengen (het is echt héél vet dat dat kan!).

De werking is conceptueel eigenlijk best simpel. Neem een geleidend oppervlak (het moet atomair redelijk vlak zijn) en een naald met een punt van één atoom groot. Hou de naald boven het oppervlak, zonder dit aan te raken. Breng een spanning aan tussen het oppervlak en de naald. Als de naald dicht genoeg bij is dan zal er een stroom gaan lopen. De elektronen tunnelen in dat geval dus van het oppervlak naar de naald toe! De stroom hangt af van de afstand tot het oppervlak (en de spanning, en de lokale elektronische structuur). Door de naald te bewegen langs het oppervlak kan zo dus een beeld gemaakt worden van het oppervlak. Het feit dat het mogelijk is om zo'n naald op atomaire schaal net boven een oppervlak te bewegen blijft heel bijzonder.

Maar het wordt nog leuker, het is ook mogelijk om atomen en kleine moleculen te verplaatsen. In 2013 heeft IBM Research een animatiefilmpje gemaakt door koolstofmonoxide-moleculen te bewegen over en koperoppervlak. Het resultaat: YouTube: A Boy And His Atom: The World's Smallest Movie

[2020Media]

Op heel klein niveau wordt bedoelt op atoomniveau en kleiner. Omdat alles is opgebouwd uit atomen houdt elk object zich aan de wetten van de kwantummechanica. Alleen op klein niveau zijn de effecten merkbaar. Voorbeelden zijn inderdaad halfgeleiders, maar ook transistoren, lasers, glazvezel, flash geheugen (SSD's USB-sticks).

Zo gebruikt een SSD kwamtum tunneling om data op te slaan. https://branch.education/new-page-23

Voor zover ik begrijp is er ook niet "echt" zo iets als klassieke mechanica. Klassieke mechanica is een benadering van kwantummechanica. Voor grote objecten is de benadering extreem accuraat. Maar in feite is het onderliggende systeem kwantummechanica waarbij de "probability distrubition" zich verdeeld in een piek. En er dus hele een kleine onzekerheidsrelatie is.

Led's maken ook gebruik van kwantummechanica. Wanneer electronen de verboden zone (bandkloof) oversteken verliezen ze wat energie in de vorm van een foton (licht) wat maakt dat de led lichtgeeft.
Vertiasum heeft hier een hele mooie video over gemaakt YouTube: Why It Was Almost Impossible to Make the Blue LED waarbij het overbruggen van de bandkloof extreem goed wordt uitgelegd. Zonder LED's geen mobieltjes want dan krijg je het niet voor elkaar om zo'n 'plat' scherm te maken.

[Reactie gewijzigd door 2020Media op 7 oktober 2025 21:28]

[Coolstart]

Idd. En wat ik nog altijd heel opmerkelijk vindt is dat men in de jaren 20 al besefte dat tunnelling bestond.

Met besefte dat een deeltje ook een golf is en dat de golffunctie zick kan spreiden over beide twee atoomkernen tegelijk. Daardoor kan een elektron oscilleren van atoom tot atoom en alle gekende natuurwetten magisch doorbreken.

Ze beseften dan ook dat het energetisch niet klopte en er dus een soort van ‘tunnel’ moest zijn om de makkelijke doorgang te verklaren.

Ze deden dat toen met metingen van radioactief verval, de Schrödingervergelijking en andere wiskundige modellen.

Dat moet zeer spectaculair geweest zijn om
In die tijd iets op te merken, te beseffen dat het puur energetisch niet kan maar dat het toch gebeurt en dat wiskundig te kunnen beschrijven. Waanzin. En dat allemaal in de jaren 20 en 30 van de vorige eeuw.

En nu (lang geleden maar nu een prijs) kan men dat bewijzen en meten dat het effectief zo is.

[Reactie gewijzigd door Coolstart op 7 oktober 2025 21:35]

[a_rated]

De transistor?

Ik vind het nog steeds gek dat mensen alleen denken aan quantum computers en qubits bij kwantummechanica. De transistor is een halfgeleider, waarbij het gedrag van een halfgeleider volgt uit de kwantummechanica.

[demianmonteverd]

Inderdaad, we hoeven niet ver te kijken, onze eigen computer werkt niet zonder de effecten van de kwantummechanica.

[GaryFaceman]

Ik raad het boek "How to Teach Quantum Physics to Your Dog" van Chad Orzel aan ik heb deze gekregen van een kennis die een PhD heeft op dat vlak en ben er erg blij mee, het is leuk om te lezen maar gaat ook dieper in op de stof voor zij die dat interessant vinden!

[divvid]

Quantum biology van Frank Hamo Quantum effects in biology: Masoud Mohseni: wat nou mobieltjes. Je eigen lichaam, de planten om je heen...Moeder Natuur loopt maar 4 miljard jaar voor....

[Reactie gewijzigd door divvid op 8 oktober 2025 12:51]

[Randfiguur]

Omdat ik dat onderwerp interessant vind, googelde ik dat boek, maar krijg sterk de indruk dat dat zelfgepubliceerde werk nogal speculatief en erg veelomvattend is. Gaat volgens de cover van ziekte en behandelingen naar "Quantum Consciousness" en "Immortality" ("We never die"), en dat in slechts 220 pagina's...

[divvid]

oh bugr, verkeerde boek gepakt, was al weer een tijdje geleden dat ik het gelezen heb. Je moet deze hebben: Quantum effects in Biology: Masoud Mohseni

ander kaliber

[Reactie gewijzigd door divvid op 8 oktober 2025 12:52]

[Randfiguur]

Ah top, ik snapte 'm al niet helemaal in combinatie met de rest van je comment

[the_stickie]

quantum tunelleing is een fenomeen waar elke halfgeleider gebruik van maakt en/of last van heeft. Quantum mechanica is echt en beïnvloedt elk partikel, dus ook ons bestaan!

[TheMak]

Eigenlijke is tunneling normaal. Net zoals licht door glas gaat. Je hebt kwantummechanica nodig om te begrijpen waarom een bal terugkaatst.

[watercoolertje]

Je hebt kwantummechanica nodig om te begrijpen waarom een bal terugkaatst.

Bedoel je dan niet juist: 'waarom een bal niet terugkaatst'. Dat ie wel terukaatst behoeft imo juist geen uitleg/begrip, want dat is 'normaal'.

[RRRobert]

Heel cool! Ik moet maar eens een boek opzoeken over quantum mechanica. Maar ben wel benieuwd, wat van de quantum mechanica dan gebruikt word in onze mobieltjes e.d.? Wat zijn zaken die daardoor mogelijk zijn geworden? Ik dacht altijd dat t vooral effecten waren op heel klein niveau, met alleen quantum computers als echt iets wat je ermee kon. Maar niet dus?

Geen boek, maar bijvoorbeeld het YouTube kanaal van Veritasium heeft daar wel een aantal leuke video's over gemaakt. Zoals deze: YouTube: Something Strange Happens When You Trust Quantum Mechanics

Kijkt wat sneller weg dan een boek lezen

[valerie]

Welk hedendaags onderzoek is over 40 jaar een Nobelprijs natuurkunde waard?

[Dekar]

Mogelijk observaties door de JWST.
Samenstelling van atmosferer exoplaneten. De JWST is in staat om o.a. zuurstof, methaan en ozon te meten op verre planeten. Dit soort stoffen zouden tekenen van buitenaards leven kunnen zijn buiten ons zonnestelsel.

Hubble tension: De Hubble-constante vertelt hoe snel het heelal nu groter wordt.
Je kunt het vergelijken met een ballon waar stippen op getekend zijn: als je de ballon opblaast, gaan de stippen steeds verder uit elkaar. De Hubble-constante zegt hoe snel dat opblazen gebeurt.
Als we dien constante meten met de CMB, dan komt er iets totaal anders uit, dan wanneer we het meten met de Hubble Space telescoop. De JWST zou hier verduidelijking in kunnen geven. En zoals het er nu naar uitziet kloppen de Hubble metingen, wat betekent dat er iets totaal onbekends aan de hand is en onze huidige modellen onvolledig zijn. Dat wordt een hele nieuwe ontdekking van natuurwetten.

[arjankoole]

oh, ik kan er wel een paar bedenken. Denk aan waar CERN mee bezig is. Of NIP of ITER.

en waarschijnlijk nog duizend waar we nog nooit van gehoord hebben, en pas over gaan horen als ze een nobelprijs winnen. :)

[demianmonteverd]

+1 voor kernfusie, wat mij betreft tien nobels waard als het commercieel/praktisch inzetbaar word.

[Dekar]

CERN en mogelijke grotere projecten van deeltjesversnellers lijken steeds meer op een dood paard, waar steeds meer kritiek op komt door natuurkundigen. Het huidige standaardmodel is na de vondst van de Higgs Boson compleet, en er is geen reden om te denken dat er meer te vinden is. Ik voorspel dat daar niks meer uit gaat rollen wat Nobelprijswaardig is.

Kernfusie zou geniaal zijn, maar ook daar betwijfel ik of er ooit vorderingen komen waarbij het totale, netto verbruik lager zal komen dan de opgewekte energie. In ieder geval binnen de gestelde 40 jaar! Maar wel fingers crossed🤞

[Reactie gewijzigd door Dekar op 8 oktober 2025 11:19]

[joker1977]

2 voorbeelden:

* Halfgeleiders zijn "het gevolg" van quantum-mechanica.
* CMOS-sensoren in de camera zijn het gevolg van het foto-electrisch effect; wat een quantum-mechanisch verschijnsel is.

[Standeman]

Het feit dat ik kwantum mechanica enorm fascinerend vind, maar geen zak van begrijp is volgens Feynmann heel normaal... De mensheid is wat dat betreft wel iets opgeschoten, maar we zijn er nog lang niet. Zijn quote:

I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.

Dat geld imho nog steeds

[Reactie gewijzigd door Standeman op 7 oktober 2025 22:19]

[_Pussycat_]

En nog een regeltje: Mensen die zeggen dat "volgens de quantummechanica ..." praten doorgaans onzin.
Mensen die quantummechanica wél begrijpen, praten er niet over met buitenstaanders, aangezien dat nutteloos is :)

[arjankoole]

de meesten die er iets van begrijpen, zeggen dat je uit moet kijken voor mensen die beweren dat ze het begrijpen. ;-)

[Armselig]

Heel mooi maar ik zie nog steeds geen quantum-cpu's in de schappen liggen

[neo_mkl]

Zou de Nobelprijs op een gegeven moment geïndexeerd gaan worden met de reële inflatie? 1 miljoen nu heeft iets van 40% van zijn koopkracht verloren t.o.v. 20 jaar geleden, en wordt erger hoe verder je terug gaat. Als dit doorgaat kan een onderzoeker weinig meer met het prijzengeld.

[HijDieAllesWeet]

Wikipedia: Nobel Prize

[Martinspire]

Meer van dit soort berichten graag. Ik zou van alle wetenschappelijke/tech nobelwinnaars en de genomineerden eigenlijk wel een bericht willen zien over wat ze hebben ontdekt en waarom het bijzonder is. Wellicht nog wat reacties erbij van Nederlandse wetenschappers. Dit zijn de berichten waar ik graag voor op Tweakers kom, namelijk...

[Reactie gewijzigd door Martinspire op 7 oktober 2025 23:57]

[StGermain]

Hear hear!

[Martinspire]

Oh damn. Dat had ik nog niet eens meegekregen. Ik bedoelde ook vooral de wetenschap/tech-gerelateerde prijzen. Literatuur lijkt mij ook niet iets voor Tweakers en die van de vrede is helemaal een farce inderdaad...

[_Pussycat_]

Hij zegt dan ook "Ik zou van alle wetenschappelijke/tech nobelwinnaars en de genomineerden eigenlijk wel een bericht willen zien". Literatuur en "vrede" hoeven hier niet te staan, uiteraard.