Quantumfysica
De ontdekking en ontwikkeling van de quantumtheorie in de eerste jaren van de vorige eeuw bracht niets minder dan een revolutie in de natuurkunde teweeg. Ging het aanvankelijk om een geheel nieuwe kijk op fundamentele verschijnselen in de atoom- en kernfysica, in de loop van de tijd kreeg de quantumfysica steeds meer praktische betekenis. Tegenwoordig is quantumfysica een essentieel onderdeel van ons dagelijks leven. Transistors, lasers en supergeleiders werken op basis van quantumprincipes, en de toekomst van de informatica ligt in de ontwikkeling van quantumcomputers. In deze collegereeks worden behalve aan de basisprincipes ook aan de toepassingen van de quantumfysica aandacht besteed en ontdekt u hoe wonderlijke ideeën over de natuur op de kleinste afstandsschalen ook hun invloed laten gelden in onze macroscopische wereld.
26 september
Prof.dr. Jan-Willem van Holten
Inleiding Quantumfysica Op de schaal van atomen, kernen en elektronen wordt de natuur geregeerd door de quantummechanica. De materie kan zowel in termen van deeltjes als van golven beschreven worden. Dat heeft wel een prijs: het is niet mogelijk de plaats en de impuls van een deeltje tegelijk met onbeperkte nauwkeurigheid te bepalen, en de energie van elektronen in een atoom kan niet alle willekeurige waarden aannemen. Ook hun rotatie (spin) komt alleen in bepaalde hoeveelheden voor; die waarde bepaalt het collectief gedrag van deeltjes bij lage temperaturen. Deze eigenschappen van de materie zijn belangrijke voor de verklaring van vele en veelsoortige verschijnselen die in de vervolgcolleges aan bod komen.
10 oktober
Prof.dr. Peter Kes
Supergeleiding, van ontdekking tot quantumtechnologie 1.0
Met het vloeibaar maken van helium in 1908 werd het natuurkundig laboratorium in Leiden het koudste plekje op aarde. Nieuwe ontdekkingen konden niet uitblijven. De meest opzienbarende was het verschijnsel suprageleiding. Het kwam als een volslagen verrassing die pas in 1957 begrepen werd nadat was aangetoond dat elektronen elkaar enigszins kunnen aantrekken dankzij de invloed van het medium (het kristalrooster) waardoor ze bewegen. Bij lage temperatuur raken ze paarsgewijs verstrengeld in een quantum toestand op macroscopische schaal. Uniek is dat de fase van de golffunctie die bij deze toestand hoort de diepere oorzaak is voor hedendaagse technologische toepassingen, zowel bij supergeleidende elektronica als bij supergeleidende magneten. Zonder deze bijzondere eigenschap zouden er geen MRI scanners of SQUID detectoren mogelijk zijn. Kortom, supergeleiding is een prachtig voorbeeld van een wetenschap-technologiespiraal. Het echte verhaal van de ontdekking en de moeizame weg naar toepassingen zullen in deze lezing worden verteld.
24 oktober
Prof.dr. Jan Aarts
Van magnetisme naar spintronica
Hoewel het magneetje op de koelkastdeur dat misschien niet doet vermoeden, is magnetisme een quantum fenomeen. In het eerste uur van het college zal besproken worden hoe we het bestaan van permanente magneten (‘ferromagneten’) kunnen begrijpen. Daarbij spelen de spin van het electron, en het Pauli-uitsluitingsprincipe, een belangrijke rol. In het tweede deel van het college komen moderne ontwikkelingen in magnetisme ter sprake, met de nadruk op het vakgebied wat tegenwoordig ‘spintronica’ heet: in electronica wordt electrische lading getransporteerd en gestuurd. In spintronica gebeurt hetzelfde met spin, wat met name van belang is voor nieuwe soorten computergeheugen.
31 oktober
Prof.dr. Martin van Exter
Het foto-elektrisch effect, het spectrum van warmtestraling, en de scherper spectrale lijnen
Rond 1900 dachten veel wetenschappers dat de natuurkunde af was; er waren slechts enkele experimenten die men niet begreep en dat begrip zou vast snel komen. Dit college begint met drie van die onbegrepen experimenten: (i) het foto-elektrisch effect, (ii) het spectrum van warmtestraling, en (iii) de scherper spectrale lijnen (= kleuren) van licht van atomen en moleculen. Beter begrip leidde rond 1920-1930 tot de ontwikkeling van de kwantummechanica. Deel 2 van dit college bespreekt latere experimenten met zogenoemde kwantum-verstrengelde fotonparen, waarbij een meting aan één foton ook de (quantum)toestand van het andere lichtdeeltje beïnvloed, iets wat Albert Einstein niet kon geloven en “spooky action at a distance” noemde. Dit onderzoek is in 2022 met een Nobelprijs beloond. Deel 3 bespreekt de eigenschappen van één-foton bronnen en hun rol bij kwantumcommunicatie en in optische kwantumcomputers. Het blijkt nog verrassend moeilijk om een lichtbron te maken die op commando precies één foton van constante kwaliteit uitzendt!
7 november
Prof.dr. Carlo Beenakker
Het magische van de quantumtechnologie
De quantummechanica is van de vorige eeuw, in 2025 vieren we het honderjarig bestaan. Maar pas in deze eeuw spreken we van "quantumtechnologie". Quantum is niet langer het domein van fundamenteel ingestelde fysici, ook praktisch ingestelde ingenieurs leren de weten van de quantummechanica. Deze technologie heeft iets magisch: een deeltje kan op twee plaatsen tegelijk zijn, het kan door een ondoordringbare muur vliegen, en er is een onzichtbare band die het met een ander verafgelegen deeltje kan verbinden. Deze lezing geeft een inleiding in de wonderlijke wereld van de quantummechanica.
14 november
Dr. Evert van Nieuwenburg
Profiteren van quantum computers
Inmiddels zitten we midden in een tweede ‘quantum revolutie’, die ons nieuwe technologie beloofd die we soms als ‘quantum 2.0’ aanduiden. Die nieuwe technologie is gebaseerd op lang en vooruitstrevend onderzoek dat ons nu in staat stelt om quantumtoestanden van deeltjes te besturen, en daarmee een quantum variant van de klassieke computer-bit kunnen maken: de quantum bit, ofwel qubit. Met zulke qubits kunnen we op een fundamenteel andere manier complexe berekeningen uitvoeren, en daarmee naar verwachting ook maatschappelijk relevante problemen oplossen. In deze lezing gaan we in op de werking van zo’n qubit, hoe ze onderdeel zijn van quantum berekeningen, en hoe sommige quantum algoritmen sneller zijn dan hun klassieke tegenhangers.
28 november
Prof.dr. Jan-Willem van Holten
Elementaire deeltjes
Als de quantumtheorie ergens heerst, dan wel in het domein van de kleinste bouwstenen van de materie, de elementaire deeltjes. De inventaris van hun eigenschappen en wisselwerkingen is grotendeels compleet en wordt kortweg aangeduid als het Standaardmodel. Het gedrag van deeltjes hangt sterk af van hun omgeving; zelfs het vacuüm blijkt verre van leeg en beïnvloedt hun eigenschappen. Dat uit zich in allerlei meetbare verschijnselen, waarvan er aan aantal zullen worden besproken.
Docenten
Prof.dr. Jan-Willem van Holten, emeritus bijzonder hoogleraar Theorie van superzwaartekracht en kosmologie.
Prof.dr. Peter Kes, emeritus hoogleraar Experimentele natuurkunde
Prof.dr. Jan Aarts, emeritus hoogleraar Experimentele natuurkunde
Prof.dr. Martin van Exter, hoogleraar Optica
Prof.dr. Carlo Beenakker, hoogleraar Theorie van de vaste stof
Dr. Evert van Nieuwenburg, computationeel natuurkundige die zijn aandacht richt op verschillende toepassingen van machine learning en kunstmatige intelligentie in de natuurkunde
Praktische informatie
7 donderdagen
26 september
10, 24, 31 oktober
7, 14 en 28 november
3 en 17 oktober en 21 november geen college)
15.15-17.00 uur
Leiden, in een collegezaal
Hoorcolleges met gelegenheid tot het stellen van vragen.
Thuis 2 tot 4 uur lezen per bijeenkomst. Dat kunnen teksten in het Engels zijn.
Wiskunde en natuurkunde op het niveau van VWO-B (NT).
Pdf's van de Powerpoints na afloop van het college.
Enige links en bestanden van teksten ter voorbereiding.
Literatuurtips voor wie verder wil lezen.
Colleges € 284,- (incl. koffie/thee)
Aanmelden
U krijgt de mogelijkheid te betalen via Ideal, credit card of door middel van een factuur.
U ontvangt na verzending van een ingevuld formulier een bevestiging, zodat u kunt controleren of de aanmelding is verwerkt.
De mogelijkheden om aan te melden met korting of met een fanpas voor grootverbruikers/veelplegers vindt u op de pagina Aanmelden.