Kwantumwerkelijkheid vormt de wetenschapper, in plaats van andersom

Tijdens een rockoptreden als tiener, wat een carrièrebepalend moment had moeten zijn, draaide een jonge gitarist zijn versterker op tien, hopend op een muur van geluid die zijn lokale legende zou cementeren. In plaats daarvan sloeg de zekering door. De stilte die volgde was niet van de diepzinnige soort; het was de beschamende soort die gepaard gaat met technisch falen onder de schijnwerpers. Jarenlang vroeg die muzikant—die opgroeide tot Oxford-natuurkundige Vlatko Vedral—zich af of hij simpelweg in een “ongelukkige” versie van het universum was beland. In de wereld van de klassieke natuurkunde slaat een zekering door of niet. In de quantumwereld, zo betoogt Vedral nu, is het verhaal een stuk drukker.

Het standaardverhaal van de quantummechanica, vaak onderwezen als een reeks vreemde maar vaststaande paradoxen, plaatst de menselijke waarnemer meestal in het middelpunt van de belangstelling. Ons wordt verteld dat deeltjes bestaan in een vage toestand van vele mogelijkheden—superpositie—totdat een persoon ernaar kijkt, waarna de golffunctie “instort” tot een enkele, saaie realiteit. Vedral, hoogleraar quantuminformatiewetenschap aan Oxford, maakt deel uit van een groeiende groep die deze antropocentrische visie niet alleen verwarrend, maar waarschijnlijk onjuist vindt. Zijn betoog draait het script om: het is niet de mens die de realiteit doet instorten, maar de realiteit die de mens verstrengelt en hen vertakt in meerdere versies die, onder zeer specifieke omstandigheden, nog steeds naar elkaar kunnen fluisteren over de leegte van het multiversum heen.

De mythe van de bevoorrechte waarnemer

Het “waarnemerseffect” is lange tijd de lieveling geweest van metafysische speculanten en New Age-schrijvers die beweren dat het menselijk bewustzijn de wereld creëert. Voor een natuurkundige die gegrond is in de rigoureuze wiskunde van de informatietheorie, is dit een bron van constante frustratie. Het probleem met de standaard Kopenhagen-interpretatie—het idee dat waarneming zorgt voor instorting—is dat het nooit definieert wat een “waarnemer” nu eigenlijk is. Vereist het een PhD? Een brein? Een eencellige amoebe? Een siliciumsensor?

Dit is meer dan alleen een filosofische voorkeur. Het vertegenwoordigt een verschuiving van het zien van de waarnemer als een “controleur” van gebeurtenissen naar het zien van de waarnemer als een onderdeel binnen een groter, deterministisch systeem. In het Europese onderzoekslandschap, waar het Quantum Flagship-programma miljarden investeert in de ontwikkeling van quantumsensoren en -klokken, doet dit onderscheid ertoe. Als we aannemen dat de waarnemer een magische externe entiteit is, missen we de technische realiteit: elk onderdeel van een quantumcomputer is elk ander onderdeel aan het “waarnemen”, wat leidt tot het snelle verval van quantuminformatie, bekend als decoherentie. De strijd van de moderne natuurkunde gaat niet alleen over het klein maken van dingen; het gaat erom te voorkomen dat ze de rest van de kamer “zien”.

Hoeveel versies van Bob zijn er nodig om een foton te zien?

Om dit fysiek te onderbouwen, gebruikt Vedral het voorbeeld van een man genaamd Bob. Wanneer een foton de zonnebril van Bob raakt, bevindt het zich in een superpositie. De mechanische interactie tussen het foton en de moleculen van het glas, en vervolgens de neuronen in het netvlies van Bob, creëert een keten van verstrengeling. Dit is wat natuurkundigen een “von Neumann-keten” noemen. De toestand van het foton is nu verbonden met de toestand van het oog, die verbonden is met de toestand van het brein.

Cruciaal is dat Vedral betoogt dat deze keten niet stopt bij de schedel. Hij strekt zich uit tot de omgeving. De reden dat we niet het gevoel hebben dat we elke seconde in meerdere versies vertakken, is de enorme complexiteit van deze interacties. Zodra de informatie over dat foton weglekt naar de luchtmoleculen en de vloerdelen, worden de verschillende versies van “Bob” zo onderscheidbaar dat ze niet langer kunnen interageren. Ze verliezen “coherentie”.

Het wiskundige hart van Vedrals argument is echter dat deze takken niet volledig losgekoppeld zijn. In een zeer gecontroleerde omgeving—een omgeving die meer lijkt op een verdunningskoelkast in een lab in Garching dan op een rockconcert in Londen—is het theoretisch mogelijk dat deze takken met elkaar interfereren. Dit is het fenomeen van quantuminterferentie, waarbij twee paden van een deeltje elkaar kunnen opheffen of versterken. Vedral suggereert dat als dit geldt voor deeltjes, het in principe ook moet gelden voor de versies van “jou” die ermee verstrengeld zijn.

Het Alice-experiment en het wissen van het geheugen

Het meest controversiële aspect van deze theorie betreft de mogelijkheid om deze interacties om te keren. Stel je een tweede waarnemer voor, Alice, die het vermogen heeft om Bob en het foton te manipuleren alsof het één quantumsysteem is. Als Alice de verstrengeling tussen Bob en het licht perfect kan omkeren, zou ze in feite de waarneming van Bob “ongedaan” kunnen maken. Vanuit het perspectief van Bob zou hij geen herinnering aan de gebeurtenis hebben, maar de onderliggende quantumwiskunde suggereert dat beide mogelijke realiteiten moesten bestaan om de omkering te laten slagen.

Dit is in feite een macroscopische versie van Wigners Vriend, een gedachte-experiment dat onlangs is getest in kleinschalige laboratoriumsettings. Experimenten aan de Universiteit van Edinburgh en elders hebben aangetoond dat twee verschillende waarnemers het daadwerkelijk oneens kunnen zijn over het “feit” of een gebeurtenis heeft plaatsgevonden, en dat beiden wiskundig gezien gelijk kunnen hebben. Dit is niet slechts een gebrek aan communicatie; het is een fundamenteel kenmerk van het quantumlandschap.

Voor het industriebeleid is dit waar de theoretische theorie de praktijk raakt. Europese investeringen in quantumcommunicatie—zoals het EuroQCI-initiatief—vertrouwen op het principe dat quantuminformatie niet gekopieerd of waargenomen kan worden zonder te worden veranderd. Als Vedral gelijk heeft, en “waarneming” slechts een specifiek type verstrengeling is dat in theorie gemanipuleerd of zelfs omzeild zou kunnen worden door waarnemers van een hogere orde, zouden onze huidige aannames over de absolute veiligheid van quantumnetwerken op een dag herzien moeten worden. Als je de waarnemer ongedaan kunt maken, kun je dan de beveiliging ongedaan maken?

De realiteit van het ongelukkige universum

De scepsis tegenover Vedrals “vele-ik”-model komt vaak van de experimentalisten. In de gangen van het Max Planck Instituut of de cleanrooms van Bosch ligt de focus op het verminderen van ruis, niet op het overpeinzen van de interferentie van alternatieve zelven. Het universum is ongelooflijk “hobbelig” en luidruchtig. De kans dat een versie van jou uit een “gelukkig universum” waar de versterker niet doorsloeg, daadwerkelijk invloed heeft op je huidige fysieke toestand, is zo minuscuul klein dat er vele ordes van grootte meer nullen voor nodig zijn dan er atomen in de zichtbare wereld zijn.

Toch blijft Vedral volhouden dat het negeren van deze takken een logische fout is. Alleen omdat we de andere takken niet gemakkelijk kunnen meten, betekent dit niet dat ze geen deel uitmaken van de functionele beschrijving van de realiteit. Hij ziet het universum als een gigantische computer—een perspectief dat gedeeld wordt door zijn Oxford-collega David Deutsch. In deze visie, die grenst aan de “Constructortheorie”, gaat natuurkunde niet over wat er gebeurt, maar over welke transformaties mogelijk zijn en waarom. Als er een versie van jou bestaat waarin je een andere keuze hebt gemaakt, dan ligt die mogelijkheid verankerd in de begincondities van het universum.

Er is hier een inherente spanning tussen de Britse school van de theoretische natuurkunde, die vaak neigt naar deze brede, allesomvattende interpretaties van de realiteit, en de meer pragmatische, op techniek gerichte benadering van de Rijn-Ruhr quantumhubs. Terwijl Oxford zich afvraagt of het brein van Bob een quantumgolffunctie is, zijn Duitse ingenieurs druk bezig ervoor te zorgen dat een quantum-bit langer dan een paar microseconden stabiel kan blijven bij vier Kelvin. Beide zijn noodzakelijk, maar ze spreken verschillende talen.

Vedrals anekdote over zijn rockband herinnert eraan dat wetenschap vaak begint met een persoonlijk gevoel van onrecht—het gevoel dat dingen anders hadden moeten lopen. Quantummechanica is in zijn verhaal de enige tak van de wetenschap die het daadwerkelijk toelaat dat dat “anders” bestaat. Het suggereert dat de realiteit geen enkel pad door een bos is, maar het hele bos zelf, en dat wij het te druk hebben met naar onze eigen voeten kijken om de andere versies van onszelf tussen de bomen te zien lopen.

Uiteindelijk blijft het idee dat een andere versie van jou je realiteit vormgeeft een onbewezen, en wellicht onbewijsbare, hypothese. Het bevindt zich op de grens van wat we wetenschap kunnen noemen, juist omdat de “andere versies” per definitie ontoegankelijk zijn. Echter, naarmate we dichter bij het bouwen van grootschalige quantumsystemen komen die miljoenen verstrengelde deeltjes bevatten, merken we misschien dat de grens tussen een “labexperiment” en een “versie van de realiteit” begint te vervagen. Voorlopig blijft de zekering doorgebrand. Oxford heeft de theorie, maar de rest van de wereld wacht nog steeds op een versie van het experiment die daadwerkelijk werkt.