Nobelprijs Natuurkunde voor doorbraak kwantumtunneling

Baanbrekende ontdekking herschrijft kwantummechanica regels

De Nobelprijs voor Natuurkunde 2025 is toegekend aan drie baanbrekende wetenschappers voor hun revolutionaire werk dat aantoont dat kwantummechanische effecten op macroscopische schaal kunnen voorkomen, wat fundamentele aannames over de aard van de realiteit uitdaagt. De Britse fysicus John Clarke, Amerikaanse onderzoeker John Martinis en Franse wetenschapper Michel Devoret ontvingen de prestigieuze prijs voor hun ontdekking van "macroscopische kwantummechanische tunneling en energiequantisatie in een elektrisch circuit."

Het experiment dat alles veranderde

In hun baanbrekende experimenten van 1984-1985, uitgevoerd aan UC Berkeley, creëerden het trio supergeleidende elektrische circuits met Josephson-juncties - essentieel twee supergeleiders gescheiden door een dunne isolerende laag. Toen ze niet-geleidend materiaal in deze circuits plaatsten, voorspelde de conventionele fysica dat er geen stroom zou stromen. Tot hun verbazing gedroegen de elektrische circuits zich echter alsof er niets de stroom blokkeerde.

"Dit is de verrassing van mijn leven," zei Clarke, nu in de tachtig, toen het Nobelcomité hem in Californië bereikte. "We hadden nooit gedacht dat we hiermee een Nobel konden winnen."

Het fenomeen dat ze observeerden was kwantumtunneling - waarbij deeltjes door barrières lijken te gaan die volgens de klassieke fysica ondoordringbaar zouden moeten zijn. Wat hun ontdekking buitengewoon maakte, was dat dit effect optrad in systemen die groot genoeg waren om in hand te houden, niet alleen op atomair of subatomair niveau waar kwantumeffecten eerder werden verondersteld beperkt te blijven.

Overbrugging van de kwantum-klassieke kloof

Het werk van de laureaten toonde aan dat Cooper-paren in supergeleiders - paren elektronen die zich als een enkele kwantumentiteit gedragen - door energiebarrières konden tunnelen en gekwantiseerde energieniveaus vertoonden in macroscopische systemen. Dit leverde het eerste concrete bewijs dat kwantumeffecten niet beperkt zijn tot microscopische schalen maar kunnen manifesteren in systemen op menselijke schaal.

"Er is geen enkele moderne technologie vandaag de dag die niet schatplichtig is aan de kwantummechanica: mobiele telefoons, computers, camera's, glasvezelverbindingen," zei professor Olle Eriksson tijdens de prijsuitreikingceremonie in Stockholm. "Het is prachtig om nu te kunnen vieren hoe die theorie van een eeuw oud ons nog telkens verrast."

Het onderzoek bouwt voort op de beroemde observatie van fysicus Richard Feynman, die ooit opmerkte: "Als je denkt dat je kwantummechanica begrijpt, dan begrijp je kwantummechanica niet." Het Nobelcomité benadrukte dat het werk van de laureaten laat zien hoe materialen zich op volstrekt tegenintuïtieve manieren kunnen gedragen binnen het kwantummechanische kader dat een eeuw geleden voor het eerst werd beschreven.

Fundament voor kwantumtechnologieën

De ontdekking heeft diepgaande implicaties voor de ontwikkeling van kwantumtechnologieën, met name kwantumcomputing. Martinis, die later de kwantumcomputing-inspanningen van Google leidde en in 2019 kwantumsuprematie demonstreerde, bouwde direct voort op dit fundamentele onderzoek. Het vermogen om kwantumeffecten in macroscopische systemen waar te nemen en te controleren, vormt de basis voor het bouwen van praktische kwantumcomputers die problemen kunnen oplossen die buiten het bereik van klassieke computers liggen.

Volgens recente analyse van McKinsey maakt kwantumtechnologie de overgang van concept naar realiteit, waarbij de markt binnen een decennium naar verwachting $100 miljard zal bereiken. Alleen al het kwantumcomputing-segment zal naar verwachting groeien van $4 miljard in 2024 naar $72 miljard in 2035.

Huidige toepassingen die al opkomen zijn onder meer NTT Docomo die de efficiëntie van mobiele netwerken met 15% verbeterde met behulp van kwantumoptimalisatie, terwijl bedrijven zoals Japan Tobacco en Ford Otosan kwantummethoden toepassen op geneesmiddelenontdekking en productieprocessen.

Voortzetting van Nobel-erfgoed

De natuurkundeprijs van dit jaar volgt op de prijs van vorig jaar voor onderzoekers die fundamentele bijdragen leverden aan de ontwikkeling van kunstmatige intelligentie. Het Nobelseizoen gaat verder met de prijzen voor Scheikunde, Literatuur en Vrede die later deze week worden aangekondigd, gevolgd door Economie volgende week.

Elke Nobel-laureaat ontvangt 11 miljoen Zweedse kronen (ongeveer 1 miljoen euro), waarbij het prijzengeld wordt verdeeld wanneer meerdere winnaars een prijs delen. De formele prijsuitreiking vindt plaats op 10 december, de sterfdag van Alfred Nobel.

Nederland houdt zijn sterke traditie in natuurkunde Nobelprijzen in stand, met 9 van de 21 Nederlandse Nobel-laureaten die in deze categorie hebben gewonnen. De meest recente Nederlandse natuurkundewinnaars waren Martinus Veltman en Gerard 't Hooft voor hun onderzoek in de deeltjesfysica.