De quantumtheorie is rond 1920-1930 ontwikkeld als mogelijke verklaring voor een aantal onbegrepen experimentele waarnemingen en fenomenen zoals het foto-elektrisch effect en de vreemde structuur van atomen en moleculen. Dit waren waarnemingen die niet verklaard konden worden binnen de klassieke natuurkunde. Ze leken een volledig nieuw paradigma in de manier waarop we over de natuur nadachten te dicteren. Deze theorie was een groot succes, maar bevatte zulke vreemde nieuwe ideeën dat niet iedereen in de theorie geloofde. Zo kan een voorwerp tegelijkertijd een golf en een deeltje zijn (golf-deeltjes dualiteit), kan de toestand van een voorwerp veranderen als je er alleen maar naar kijkt (Schrödingers kat) en speelt waarschijnlijkheid een dominante rol (Einstein vond dit onacceptabel en zei ‘God doesn’t play dice’). In dit vak bespreken we de bovenstaande ideeën en aanverwante onderwerpen zoals de onzekerheidsrelatie van Heisenberg, waarschijnlijkheidsgolven, quantumtunneling, het meetprobleem en quantumverstrengeling. We leren hoe quantumtheorie de microscopische wereld beschrijft.
Aangezien quantummechanica zo’n radicaal ander beeld van de werkelijkheid geeft, is het niet vreemd dat er ook filosofische vragen bij komen kijken. Zo zou het kunnen zijn dat de wereld fundamenteel indeterministisch is, of juist dat er meerdere parallelle universa naast elkaar bestaan. Dit hangt af van hoe je het formalisme van quantumtheorie interpreteert. We zullen daarom ook een aantal vooraanstaande interpretaties van de theorie behandelen.
Veel moderne ontwikkelingen in de quantummechanica maken gebruik van quantumverstrengeling, dat een, haast magische, koppeling van meerdere onderdelen van een systeem beschrijft. We bespreken welke experimenten met verstrengelde paren fotonen in de periode 1980-2023 ons begrip van quantumverstrengeling hebben gevormd en waarom en hoe dit fenomeen de basis vormt voor quantumcomputers en quantumcommunicatie. Verdere toepassingen van de nieuwe quantumtechnologie, die soms quantum 2.0 wordt genoemd, worden behandeld in blok 2. Zoals eerder al is aangegeven, is natuurkunde een experimentele discipline en als onderdeel van dit vak gaan we met experimenten in het Leidse ‘quantum Rules!’ Lab zelf ervaren wat de quantum wereld in de praktijk betekent.
Aan het eind van deze cursus heeft de student de belangrijkste concepten van de quantummechanica begrepen en inzicht verkregen in hun filosofische betekenis. Ook heeft de student begrepen hoe dit theoretisch fundament gebouwd is op de resultaten van natuurkundige experimenten, en is er een kader ontwikkeld om informatie over eigentijdse innovaties beter op waarde te kunnen schatten.