
Kwantumfysica is een van de meest intrigerende en complexe takken van de wetenschap. Een van de kernconcepten binnen deze discipline is coherentie van kwantumtoestanden, een fenomeen dat ons begrip van materie, energie en de fundamenten van het universum heeft getransformeerd. In dit artikel leggen we uit wat coherentie in de kwantumwereld betekent, hoe het werkt, en waarom het zo belangrijk is.
Inhoudsopgave
Wat is kwantumcoherentie?
Definitie van kwantumcoherentie
Kwantumcoherentie verwijst naar het idee dat kwantumsystemen zich in een zogenaamde superpositie kunnen bevinden. In eenvoudige bewoordingen betekent dit dat een deeltje zoals een elektron zich in meerdere toestanden tegelijkertijd kan bevinden, zolang het systeem niet wordt verstoord door een externe factor. Deze toestand van superpositie en het vermogen van een deeltje om in meerdere kwantumtoestanden tegelijk te bestaan, wordt ‘coherentie’ genoemd.
Voorbeeld van kwantumcoherentie
Een bekend experiment dat de coherentie van kwantumtoestanden illustreert, is het beroemde “tweespleten-experiment.” In dit experiment worden elektronen door twee spleten geschoten, en in plaats van dat ze door één spleet gaan (zoals in klassieke fysica verwacht zou worden), gedragen de elektronen zich alsof ze door beide spleten tegelijk gaan. Dit fenomeen toont aan dat elektronen zich in meerdere toestanden tegelijk kunnen bevinden, zolang er geen waarneming plaatsvindt.
De superpositie van kwantumtoestanden
Het concept van superpositie is cruciaal voor de coherentie van kwantumtoestanden. In superpositie kunnen kwantumdeeltjes, zoals elektronen en fotonen, in meerdere kwantumtoestanden tegelijk bestaan. Dit is een fundamenteel principe van kwantummechanica en verschilt sterk van de klassieke fysica, waar objecten slechts in één staat tegelijk kunnen zijn.
Kwantumcoherentie houdt in dat de relatie tussen deze superpositietoestanden consistent blijft totdat een externe kracht of meting optreedt, wat leidt tot decoherentie – het moment waarop de superpositie ineenstort en het systeem in één enkele toestand verkeert.
Hoe werkt kwantumcoherentie?
De golffunctie en kwantumtoestanden
Om te begrijpen hoe kwantumcoherentie werkt, moeten we eerst het concept van de “golffunctie” begrijpen. In de kwantummechanica beschrijft de golffunctie de waarschijnlijkheid van de verschillende toestanden waarin een kwantumdeeltje zich kan bevinden. De golffunctie zelf is een complexe wiskundige beschrijving van deze mogelijkheden. Zolang een systeem coherent is, blijft de golffunctie intact en beschrijft het de superpositie van toestanden van een deeltje.
Kwantumcoherentie betekent dat de verschillende componenten van de golffunctie (de superpositietoestanden) in fase blijven met elkaar, wat betekent dat ze elkaar niet verstoren. Zolang dit het geval is, kunnen de kwantumtoestanden interfereren en samenwerken, wat leidt tot fenomenen zoals kwantuminterferentie. Dit is een ander belangrijk kenmerk van coherente systemen.
Interferentie in coherente systemen
Een van de meest fascinerende uitkomsten van kwantumcoherentie is het fenomeen van interferentie. Kwantuminterferentie treedt op wanneer de verschillende toestanden van een systeem, die zich in superpositie bevinden, samenkomen en elkaar beïnvloeden. Dit fenomeen kan alleen optreden wanneer de toestanden coherent blijven. Wanneer een externe verstoring plaatsvindt (zoals een meting), zal decoherentie optreden, waardoor de interferentie verdwijnt.
Bijvoorbeeld, in het tweespleten-experiment veroorzaakt de superpositie van het elektron dat door beide spleten gaat een interferentiepatroon op het detectiescherm. Dit patroon verdwijnt echter zodra we proberen te meten door welke spleet het elektron is gegaan, omdat de meting de coherentie vernietigt.
Coherentie en entanglement
Kwantumcoherentie is nauw verbonden met een ander belangrijk kwantumfenomeen: verstrengeling, of entanglement. Wanneer twee of meer deeltjes verstrengeld raken, worden hun toestanden op een mysterieuze manier met elkaar verbonden, zelfs als ze zich op grote afstand van elkaar bevinden. Deze deeltjes blijven coherent met elkaar, wat betekent dat de toestanden van de deeltjes in superpositie blijven en op elkaar blijven reageren.
Verstrengeling is een voorbeeld van kwantumcoherentie op grotere schaal, waarbij de coherentie niet alleen binnen een enkel deeltje plaatsvindt, maar tussen meerdere deeltjes. Dit leidt tot vreemde maar wetenschappelijk bevestigde verschijnselen, zoals het feit dat een meting aan één deeltje onmiddellijk effect heeft op het andere deeltje, ongeacht de afstand tussen hen.
Het belang van coherentie in de kwantumtechnologie
Toepassingen in kwantumcomputers
Kwantumcoherentie speelt een cruciale rol in de ontwikkeling van kwantumcomputers. In tegenstelling tot klassieke computers, die werken met bits die ofwel 0 of 1 zijn, werken kwantumcomputers met qubits. Deze qubits kunnen zich in een superpositie van zowel 0 als 1 bevinden, wat een enorm aantal gelijktijdige berekeningen mogelijk maakt.
Zolang de qubits in een kwantumcomputer coherent blijven, kunnen ze meerdere toestanden tegelijk verwerken en gebruiken voor het oplossen van complexe problemen. Dit geeft kwantumcomputers het potentieel om bepaalde berekeningen veel sneller uit te voeren dan hun klassieke tegenhangers. Een van de grootste uitdagingen in de ontwikkeling van kwantumcomputers is echter het behouden van de coherentie van de qubits, aangezien externe verstoringen of interacties decoherentie kunnen veroorzaken.
Decoherentie: de vijand van kwantumcomputers
Decoherentie treedt op wanneer kwantumcoherentie verloren gaat. Dit kan gebeuren wanneer het kwantumsysteem wordt verstoord door externe factoren zoals warmte, trillingen of andere vormen van interferentie. Wanneer decoherentie optreedt, verliest het systeem zijn superpositie, waardoor de voordelen van kwantumcoherentie verdwijnen. Voor kwantumcomputers betekent dit dat hun rekenkracht sterk afneemt zodra decoherentie in het systeem optreedt.
Daarom is een groot deel van het onderzoek naar kwantumcomputers gericht op het vinden van manieren om decoherentie te voorkomen of te minimaliseren. Dit gebeurt onder andere door het systeem te isoleren van externe invloeden en door gebruik te maken van foutcorrectie-algoritmes die de effecten van decoherentie kunnen verminderen.
Kwantumcoherentie in kwantumcryptografie
Een andere belangrijke toepassing van kwantumcoherentie is te vinden in kwantumcryptografie. Hierbij wordt gebruik gemaakt van kwantummechanische principes om informatie veilig te verzenden. Door gebruik te maken van de coherentie van kwantumtoestanden kunnen geheime sleutels worden gegenereerd die onbreekbaar zijn voor hackers. Dit komt doordat elke poging om de kwantumtoestand van de verzonden gegevens te meten, leidt tot decoherentie en het ineenstorten van de kwantumtoestand. Dit maakt het vrijwel onmogelijk om kwantumcommunicatie te onderscheppen zonder dat het opgemerkt wordt.
Kwantumcoherentie is dus niet alleen essentieel voor de werking van kwantumcomputers, maar ook voor de ontwikkeling van veilige communicatiemethoden die bestand zijn tegen afluisteren.
Conclusie
Kwantumcoherentie is een van de fundamentele principes die ten grondslag liggen aan de kwantummechanica en speelt een cruciale rol in verschillende toepassingen van moderne technologie, zoals kwantumcomputers en kwantumcryptografie. Het vermogen van deeltjes om zich in superpositie te bevinden en coherente toestanden te behouden, biedt ongekende mogelijkheden op het gebied van informatieverwerking en beveiliging.
Tegelijkertijd vormt decoherentie, het verlies van coherentie, een belangrijke uitdaging in de ontwikkeling van kwantumtechnologieën. Onderzoekers blijven werken aan manieren om decoherentie te beheersen en te minimaliseren om de volledige potentie van kwantumcoherentie te benutten.
De studie van kwantumcoherentie blijft zich ontwikkelen en biedt een fascinerend venster op de mysterieuze en krachtige wereld van kwantummechanica. Het zal zonder twijfel een centrale rol blijven spelen in de technologische vooruitgang van de komende decennia.
Bronnen en meer informatie
- Nielsen, M. A., & Chuang, I. L. (2010). Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press. Dit boek is een uitgebreid handboek over kwantumcomputers en kwantuminformatie, met veel aandacht voor kwantumcoherentie, decoherentie en entanglement.
- Zurek, W. H. (2003). Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical. Reviews of Modern Physics, 75(3), 715-775. Dit artikel bespreekt in detail hoe decoherentie de kwantumwereld omzet naar klassiek gedrag en hoe coherentie een rol speelt in kwantumtoestanden.
- Schlosshauer, M. (2007). Decoherence and the Quantum-to-Classical Transition. Springer. Een belangrijke bron over decoherentie en het verlies van kwantumcoherentie, met nadruk op hoe dit leidt tot het klassieke gedrag dat we in de macrowereld waarnemen.
- Haroche, S., & Raimond, J. M. (2006). Exploring the Quantum: Atoms, Cavities, and Photons. Oxford University Press. Deze bron richt zich op experimentele studies van kwantumcoherentie en decoherentie in systemen zoals atomen en fotonen in kwantumcaviteiten.
- Joos, E., Zeh, H. D., Kiefer, C., Giulini, D. J. W., Kupsch, J., & Stamatescu, I.-O. (2003). Decoherence and the Appearance of a Classical World in Quantum Theory. Springer. Een fundamenteel werk dat diep ingaat op decoherentie, hoe het samenhangt met kwantumcoherentie, en hoe het klassieke gedrag ontstaat uit kwantumsystemen.