De kwantumtheorie

terminologie

Laatste bijwerking : 2026-08-29

Een klassieke computer verwerkt alle taken één voor één, met de bitwaarden 0 of 1 als elementaire informatie-eenheid [binaire codering]. In het geval van de klassieke bit vindt de codering plaats door het al dan niet passeren van een elektrische stroom. De stroom gaat door (1) of niet door (0).

In de kwantumfysica hebben fysische eigenschappen geen willekeurige waarden zoals in de klassieke fysica, maar zijn ze gekwantiseerd : ze kunnen alleen bepaalde discrete waarden hebben. Een kwantumcomputer draait ze parallel dankzij het feit dat ze in twee toestanden tegelijk verkeren: 0 of 1 [zoals de bit], OF 0 en 1 tegelijk (kwantumcoherentie of superpositie : zie verder), kenmerkend voor een kwantumbit, de qubit. Door tussen 0 en 1 te "zweven" zorgen qubits ervoor dat kwantumcomputers bepaalde taken veel sneller uitvoeren dan klassieke computers. Meer nog, in het kwantumgeval zijn nog andere oplossingen mogelijk, aangezien de deeltjes (die qubits) verschillende kenmerken hebben, bijvoorbeeld hun spin (rotatie op zichzelf : up en down, = impulsmoment : de up-spin van een elektron geeft een ander energiesignaal aan een lichtdeeltje dan de down-spin), hun lichtpolarisatie (links- of rechtsdraaiend) of hun energieniveau (elektronenschil). Deze diversiteit biedt een hele reeks oplossingen voor het maken van een qubit. De kwantumcomputers die in de maak zijn, gebruiken atomen, ionen, fotonen of kleine ringen met een supergeleidend materiaal als qubits. Omdat fotonen geen lading of massa hebben, zijn ze veel minder onderhevig aan interferentie van hun omgeving dan klassieke qubits.

Met slechts een bescheiden aantal qubits kun je zo gigantische berekeningen parallel uitvoeren.

Maar dit is niet alles :

De kwantumfysica vertelt ons hoe de werkelijkheid zich voordoet op de schaal van de bouwstenen ervan, terwijl de relativiteitstheorie van Einstein ons inzicht geeft in de aard van ruimte en tijd. In beide gevallen treedt een beeld van de werkelijkheid naar voor dat niet spoort met wat wij ervan ervaren op menselijke schaal.

Zo trakteert de kwantumfysica ons op een heel arsenaal aan gedragingen die we maar kunnen omschrijven als heel vreemd : dualiteit van golf en deeltje (elektron), superpositie van toestanden, onzekerheidsrelaties, onbepaaldheid in afwezigheid van een meting, kwantisering, verstrengeling…

Kwantum : Het allerbelangrijkste in de kwantumfysica is dat er een kleinste schaal is. Dat is het kwantum, de constante van Planck. Als je blijft inzoomen, kun je plots niet meer verder. Tot de kwantumfysica dacht iedereen dat je altijd maar verder kon inzoomen. De kwantumfysica heeft veel duidelijk gemaakt. De ontdekking dat er een kleinste schaal is, dat er elektronen zijn, dat je een soort legoblokjes hebt waar de natuur uit opgebouwd is, heeft veel mysteries opgelost.

Dualiteit : Licht heeft niet alleen een golfkarakter. Einstein leidde het duale karakter (én golf én deeltje ipv of-of) van het licht af uit een theoretische verklaring van het foto-elektrisch effect : een elektron schiet weg als het één foton (lichtdeeltje, kwantum) absorbeert dat precies de juiste energie heeft die nodig is om het weg te schieten naar een hogere energiebaan. Is de energie van het foton te laag, dan blijft het elektron gewoon zitten. Wanneer het elektron daarentegen terugvalt naar een baan met een lager energieniveau (geheel willekeurig) wordt de energie omgezet in een foton dat wordt uitgestuurd.

Wat later bleek niet alleen licht te bestaan uit deeltjes. Dit geldt ook voor materie, en in het algemeen voor alle entiteiten die gewoonlijk “deeltjes” worden genoemd, of het nu gaat om licht of materie (elektronen, protonen, neutronen, atomen...). De deeltjes zijn echter geen lokaliseerbare puntvormige objecten meer, zoals het geval was in de klassieke voorstelling van de fysica, maar discontinue golven in waarschijnlijkheidsvelden.

Maar eigenlijk alles wat trilt bestaat uit deeltjes. Geluid ontstaat door drukgolven die zich door een medium verplaatsen, zoals lucht, waarbij trillingen nodig zijn om deze geluidsgolven te produceren. Een bekend voorbeeld van hoe trillingen geluid kunnen versterken, is de werking van een drum, waarbij een vel strak over een holte gespannen is. Wanneer dit vel wordt aangeslagen, trilt het en versterkt het de geluidsgolven in de lucht eromheen.

Kwantumcoherentie : In de kwantumfysica betekent kwantumcoherentie dat subatomaire deeltjes in staat zijn met elkaar samen te werken. Deze subatomaire golfjes/deeltjes weten niet alleen van elkaars bestaan, maar zijn ook hecht met elkaar verbonden door banden van gemeenschappelijke elektromagnetische velden, zodat ze met elkaar kunnen communiceren. Als deze golven in fase komen (synchroon pulseren) dan beginnen ze te reageren als één golf. Vele vreemde effecten in de kwantumwereld die in een enkele golf worden waargenomen, gelden ook voor het grote geheel. Als er met één golf iets gebeurt, heeft die invloed op alle andere golven. Coherentie maakt zo communicatie mogelijk.

Delokalisatie : houdt in dat de energie van een inkomend lichtdeeltje wordt ‘uitgesmeerd’ over excitonen. Al die excitonen samen vormen één overkoepelende ‘coherente’ kwantumtoestand die gehoorzaamt aan één Schrödingergolfvergelijking (kwantumcoherentie of superpositie). De excitonen gedragen zich als een golf die één pakket aan energie meedraagt dat ondeelbaar is en zo goed als onaangeroerd op de bestemming aankomt. De kwantummechanica zorgt er dus voor dat excitonen alle mogelijke routes volgen doorheen bv. het chlorofyldoolhof, hoe gek dat ook klinkt… Als het proces van energieoverdracht ook kwantumcoherent is, zodat het exciton zich als een golf voortbeweegt, kan het immers alle mogelijke paden tegelijkertijd verkennen en alleen de meest efficiënte route nemen. Coherentie staat de excitons toe de snelste weg te vinden naar het reactiecentrum voordat de energie verloren gaat in fluorescentie.

Superpositie van toestanden (kansberekening) : het is een kenmerk dat voorbehouden is aan elementaire deeltjes (fotonen, elektronen...) en atomen. Deeltjes kunnen in verschillende toestanden bestaan. Een elektron kan dus in theorie twee snelheden hebben en zich tegelijkertijd op drie verschillende plaatsen bevinden. Nemen we een elektron opgesloten in een doos: zijn kwantumkarakter betekent dat het niet aanwezig is op een specifieke plaats, maar verspreid is over de hele doos, in de vorm van een waarschijnlijkheid van aanwezigheid (onzekerheidsprincipe : zie “De kwantumtheorie (biochemie)). Om het te lokaliseren, moet je de doos openen: het elektron zet zich dan vast op een precieze plaats...

Als onbekend is waar een deeltje zich bevindt, is het volgens de natuurkunde 'in superpositie': er treden meer toestanden tegelijk op. Het is niet zo dat men niet weet waar een deeltje zich bevindt, het heeft gewoon geen precieze plaats totdat er een waarneming wordt gedaan. Door iets te observeren, verandert het karakter ervan.

Kwantumfysica is de mogelijkheid om superpositie te overwegen. Maar superpositie is misschien niet echt. Het is een trukje dat in eerste instantie werkt, maar dat niet raakt aan de toestanden die we willen begrijpen... Want hoe botsen deeltjes met elkaar? Waarom gaan ze soms hierheen, en soms daarheen? Waarom vertonen ze spin? We hebben nog veel doorbraken nodig die ons dichter brengen bij dat niveau van inzicht dat we voor deeltjes vandaag gewoonweg niet hebben, zelfs niet bij benadering. Het is simpel : de theorie kan me vandaag niet vertellen waar ik naar moet kijken om op voorhand te voorspellen hoe de deeltjes zich na een botsing zullen verstrooien.

Het principe van de superpositie van toestanden weerspiegelt het intrinsieke onbepaaldheidskarakter van de kwantumfysica, dat tot uiting komt in haar probabilistische aard. Het toeval is een wezenlijk onderdeel van de kwantumfysica. Dit onbepaaldheidskarakter is onherleidbaar en fundamenteel, hoewel het volkomen contra-intuïtief is zoals het denkspel van Schrödingers kat – op macroscopische schaal – tracht aan te tonen. De redenering van Schrödinger gaat immers niet op, omdat hij wetten die alleen in de microscopische wereld (de atomaire en subatomaire wereld) gelden, toepast op de macroscopische wereld (de kat).

Kwantumverstrengeling : verstrengeling is een soort kwantumband (een soort coherentie) die het lot van deeltjes met elkaar vervlecht. Het verwijst naar de toestanden van twee of meer deeltjes die onderling afhankelijk zijn, ongeacht de afstand die ze scheidt. Het is een van de vele contra-intuïtieve kenmerken van het subatomaire landschap, waarin deeltjes zoals elektronen en fotonen zich tegelijkertijd gedragen als zowel deeltjes als golven, meerdere posities en toestanden tegelijk innemen en schijnbaar ondoordringbare barrières doorkruisen (zie verder : Tunneling).

Twee verstrengelde deeltjes zijn door verstrengeling zodanig met elkaar verbonden dat elke actie op de ene (bv. een verandering in spin, snelheid, enz.) onmiddellijk leidt tot een actie op de andere. Dit geldt ongeacht de afstand ertussen. Deze eigenschap verbindt dus kwantumobjecten met elkaar, zonder tussenkomst van een draad. Processen op deze schaal zijn vastgelegd in de complexe wiskundige taal van de kwantummechanica en produceren vaak effecten die het gezond verstand lijken te tarten. Het lijkt onmogelijk, maar er is nu al tientallen jaren bewijs voor verzameld…

Zo zijn onderzoekers erin geslaagd om twee atomen met elkaar te laten ‘praten’ in siliciumchips. Meer bepaald gaat het om atoomkernen van twee fosforatomen die zich op een afstand van twintig nanometer van elkaar bevinden. De deeltjes zijn ‘verstrengeld’; dat wil zeggen dat een verandering in de toestand van de ene atoomkern onmiddellijk effect heeft op de andere, ongeacht de afstand ertussen (Andrei Stiru in EOS 10 2025). Volgens de onderzoekers is de methode schaalbaar. De techniek is bovendien compatibel met bestaande chipontwerpen.

Een ander bijzonder kenmerk van kwantumverstrengeling is dat hiermee kwantuminformatie (qubits) kan worden ‘geteleporteerd’, bijvoorbeeld via een foton. Via een soort kwantumfax: de fysische eigenschappen van een deeltje op afstand doorgeven aan een identiek deeltje.

Dankzij verstrengeling zal de efficiëntie van qubits exponentieel toenemen. Laten we 2 qubits nemen. We hebben gezien dat ze elk in een combinatie van 0 en 1 kunnen zijn. Als ze ook verstrengeld zijn, vormen ze één enkel, onafscheidelijk systeem dat 4 waarden tegelijk kan aannemen. Wetende dat het aantal gelijktijdig ingenomen toestanden enorm snel toeneemt met het aantal verstrengelde qubits: 3 qubits, 8 toestanden; 4 qubits, 16 toestanden; 5 qubits, 32 toestanden; ...

Toch is er nog een groot probleem : alles is al "natuurlijk" met elkaar verstrengeld : op dit eigenste moment raak je enigzins verstrengeld met de lucht om je heen, met het oppervlak waarop je staat of zit, met het scherm waarop je deze woorden leest. Deze natuurlijke verstrengeling van een kwantumsysteem met de onmiddellijke omgeving staat bekend als "decoherentie". Het kwantumkarakter van de meeste objecten wordt hierbij vernietigd. Zo'n toestand is fataal voor het vermogen van een kwantumcomputer om berekeningen uit te voeren. Om de cruciale controle over de qubits en hun verstrengeling te behouden, moeten kwantumprocessors dus geïsoleerd zijn van de rest van de wereld. Decoherentie vermijden vereist een omgevingstemperatuur gelijk aan het absolute nulpunt en van het gebruik van supergeleidende materialen, zoals aluminium of tantaal, die geen elektrische weerstand tonen bij superlage temperaturen met vorming van supergeleidende qubits. Niets gaat dus vanzelf in de wondere wereld van de kwantumfysica.

Tunneling : het tunnel-effect is een even bizar effect. Het zorgt ervoor dat elektronen en andere deeltjes over/door een barrière heen kunnen wippen zonder dat ze daar voldoende energie voor bezitten. De waarschijnlijkheid dat dit lukt, is afhankelijk van de energie en de grootte en omvang van de barrière. In 2022 werden deeltjes betrapt bij tunnelen… (Fr. Konitzer, University of Innsbruck) . In de biochemie zorgt dit effect ervoor dat elektronen een potentiële 'barrière' kunnen passeren wanneer ze daar niet voldoende energie voor hebben (wat strikt verboden is in de klassieke fysica, maar mogelijk in de kwantumfysica). Dankzij tunneling kunnen mitochondria voldoende energie produceren, zodat de stofwisseling en de ademhaling blijven functioneren.

Het tunneleffect is een direct gevolg van de probabilistische aard van de golf die gepaard gaat met de evolutie van een kwantumdeeltje. De golfkarakteristiek van het deeltje zorgt er namelijk voor dat het zich door de barrière voortplant als een golf, in plaats van als een klassiek deeltje. Het tunneleffect is toegepast op het gebied van microscopie en beeldvorming, waar het gebruikt wordt om moleculaire structuren op nanometerschaal te visualiseren. Uit onderzoek blijkt hoe elektronen die door het systeem bewegen, zich gedragen alsof ze één enkel deeltje zijn. Dat zogenaamde kleine deeltje ‘tunnelt’ door de barrière. Het effect geldt niet wanneer het om meerdere deeltjes gaat, wat verklaart waarom je in het dagelijks leven nooit iemand door muren en vloeren ziet bewegen...

Meerdere werelden

Hoe maken we, terwijl de natuurwetten verschillend lijken,

- de overgang van de kwantumwereld naar de werkelijke wereld?

- de overgang van de microscopische wereld naar de macroscopische wereld?

- de overgang van een probabilistische fysica naar een deterministische fysica?

Hoe wordt de verbinding tussen beide tot stand gebracht?

Hoe gaan we van het meest fundamentele niveau van de materie naar het hogere niveau van het fenomeen?

Hoe lossen we het probleem van de bepaling door meting op?

Hoe kunnen we de fenomenen redden door hun ontstaan te verklaren?

Hoe verzoen je de zwaartekracht uit de gewone fysica met de kwantumwereld?

Hoe creëer je kwantumzwaartekracht?

Willen we ooit in staat zijn alles in het heelal goed te vatten in een concept, moet er ooit één grote theorie komen die alle fundamentele krachten in de natuur in één beweging kan verklaren.

Er zijn alternatieve theorieën van de kwantumfysica :

De theorie van de “Veel-werelden” (Hugh Everett, 1957) stelt dat de mogelijkheden die de kwantumtheorie toelaat – en die in de macroscopische wereld tot één enkele uitkomst worden gereduceerd – zich daadwerkelijk in parallelle werelden voltrekken, waardoor evenveel werelden tot stand komen en dus evenveel waarnemers die alleen toegang hebben tot hun eigen wereld. De waarnemer veroorzaakt niet de ineenstorting van de golffunctie (collapse) en vernietigt de andere opties niet, maar stuurt ze naar een reeks parallelle universa.

In zijn hypothese van de “multiversum” splitst het universum zich telkens wanneer we een van de eigenschappen van een foton door meting vastleggen in tweeën: in de ene wereld is het licht een golf; in de andere is het een deeltje. In zijn universum leeft de kat van Schrödinger bij het openen van de doos; maar is hij dood in een ander universum. Er is dus geen willekeur in de resultaten van een kwantummeting: elk resultaat bestaat wel degelijk, maar elk in zijn eigen universum, parallel aan de andere. Het probleem van de kwantumonbepaaldheid is opgelost, maar ten koste van de veronderstelling van parallelle universa, een veronderstelling die overigens heeft geleid tot de theorie van het “multiversum”, een verklaring voor het antropisch principe... (een fenomeen dat te wijten is aan menselijke activiteiten)

De ineenstorting van de golffunctie verloopt zodanig dat alle mogelijkheden, behalve één – het resultaat – zijn verdwenen. Dat wil zeggen dat het kwantumgedrag “verdwijnt” in de macroscopische wereld. Het is de interactie van het kwantumsysteem met de omgeving van de golffunctie die de mogelijkheid van superpositie-toestanden teniet doet (decoherentie), waardoor het deeltje gedwongen wordt om “klassiek” gedrag aan te nemen in de macroscopische wereld.

Als je moeite hebt om volgen ; stop met te proberen om alles te begrijpen. Zeker in de kwantumfysica kun je onmogelijk alles begrijpen. Op een gegeven moment moet je gewoon accepteren: zo is het. En dan moet je voort.