Honderd jaar geleden vond er een dubbele revolutie plaats in de natuurkunde, die ons begrip van de natuur radicaal heeft veranderd: de ontdekking van de relativiteitstheorie en de quantummechanica. Het bracht ons een meer fundamenteel begrip van ruimte, tijd, en de bouwstenen van materie, en het is lastig om de impact op de wetenschap en onze samenleving te onderschatten. Beide theorieën zijn het laboratorium ontgroeid en de vaak vreemde ideeën en concepten hebben een plek gevonden in onze taal, cultuur en technologie.

In deze lezingenreeks zullen experts verschillende facetten van de quantummechanica uitlichten. Naast de basisconcepten en de (filosofische) interpretatie bespreken zij ook recent onderzoek en toepassingen in technologie, en nemen ons mee in de mogelijke (maatschappelijke) impact van ontwikkelingen rond de quantumcomputers, quantumencryptie en quantumcommunicatie.

Deze lezingenreeks is samengesteld in samenwerking met prof.dr. Ivo van Vulpen, dr.ir. Bob Dirks, dr.ir. Bas Hensen en Michelle Willebrands.

Prof.dr. Carlo Beenakker, hoogleraar Theorie van de vaste stof, Instituut-Lorentz voor Theoretische Fysica, Universiteit Leiden

De quantummechanica is van de vorige eeuw, in 2025 vieren we het honderdjarig 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 wetten 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. Tijdens deze eerste avond in De wereld is quantum geeft Carlo Beenakker een inleiding in de wonderlijke werkelijkheid van de quantummechanica. 

Dr. ir. Anne-Marije Zwerver, onderzoeker op het gebied van Quantum Hardware en oprichter van Groove Quantum, QuTech

Dr. Evert van Nieuwenburg, universitair docent Quantum Machine Learning & Quantum Games, Applied Quantum Algorithms, Universiteit Leiden

Quantum computers beloven allerlei doorbraken te kunnen bereiken voor onze samenleving, zoals het doorrekenen van moleculen voor betere medicijnen of het specifiek ontwikkelen van nieuwe materialen voor een bepaalde functie. Vaak wordt gezegd dat quantum computers, door hun ongeëvenaarde capaciteit, revolutionaire nieuwe inzichten en ontwikkelingen kunnen brengen in onder andere de luchtvaart, de gezondheidszorg en de energiesector.

Maar hoe werken quantum computers eigenlijk? En hoe maak je er überhaupt een? In deze lezing beginnen Anne-Marije Zwerver en Evert van Nieuwenburg bij de basis van een quantum computer, en werken zij toe naar antwoorden op deze vragen. Anne-Marije en Evert leggen uit wat ‘quantum bits’ zijn, en introduceren verschillende quantumeffecten aan de hand van quantumspelletjes. Er komt ook een kijkje in de wereld van de hardware achter quantum computers, met een focus op de verschillende systemen waar we in Nederland aan werken.

Ir. Janice van Dam, promovenda in de Quantum Computer Science Group van de Quantum Internet Division, QuTech

Dr.ir. Bob Dirks, Senior Systems Architect Quantum Technology, TNO. Oprichter en eigenaar van BQB

Quantumcommunicatie is een revolutionaire technologie die gebruikmaakt van de principes van de quantummechanica om quantuminformatie, in de vorm van qubits, te versturen. Eén van de eerste toepassingen is Quantum Key Distributie, of QKD, een extreem veilige manier om encryptiesleutels uit te wisselen waarmee vertrouwelijke informatie kan worden versleuteld, bijvoorbeeld de communicatie tussen overheden of bedrijven.

Een meer geavanceerd voorbeeld van quantumcommunicatie is quantumteleportatie, waarbij, door middel van deeltjesverstrengeling, de quantumtoestand van een deeltje wordt overgebracht naar een ander deeltje op afstand, zonder fysieke verplaatsing. Quantumteleportatie is van groot belang voor toekomstige quantumcomputers, die zo met elkaar kunnen communiceren, en het maakt blind quantum computing mogelijk. Dankzij de verstrengeling kunnen quantumcomputers hun capaciteit combineren, om zo nog complexere en snellere berekeningen te doen die voor een klassieke computer onmogelijk zijn. Die berekeningen leiden bijvoorbeeld tot de ontwikkeling van nieuwe medicijnen en materialen.

Quantumcommunicatie gebruikt licht als drager van de informatie, dat via optische fibers, lucht of vacuüm kan worden verstuurd. Ruimtevaart speelt een cruciale rol om de informatie over grotere afstanden te transporteren en grondnetwerken met elkaar te verbinden tot een quantum internet. Hiervoor worden satellieten gebruikt waarmee de quantuminformatie over grotere afstanden op de grond kan worden verstuurd en waarmee alle baanbrekende toepassingen van quantumtechnologie wereldwijd beschikbaar worden. Vang deze avond met Janice van Dam en Bob Dirks een glimp op van de toekomst van communicatietechnologie!

This evening, Semonti Bhattacharyya, Kaveh Lahabi, and Bas Hensen will tell stories from their recently founded experimental research labs at the Leiden Institute of Physics (LION). They all push the boundary of what is possible within the realm of quantum physics; to better understand it, to find a basis for a next generation of technology, and even to grasp what kind of theory may lie beyond quantum physics. This evening, they will start with the tiniest of systems, looking at interactions on the atomic scale, and work their way up from there, up to systems almost visible to the naked eye.

Building future electronics by quantum-tinkering atomically thin LEGOs
Dr. Semonti Bhattacharyya, Assistant Professor Quantum transport in low-dimensional systems, Leiden University

Present-day electronics has almost reached its limitation in terms of efficiency, miniaturization, and cost-effectiveness. Our society’s ever-increasing demand for more efficient computation requires the innovation of new disruptive and yet sustainable technologies that occupy less space, waste less energy, and use fewer resources.
The discovery of graphene (a single sheet of carbon atoms) in 2004 has introduced us to the universe of two-dimensional materials, with various novel functionalities. In this lecture, I will show how such materials can be stacked like atomically thin Lego blocks, to create ultrathin, flexible and novel electronic devices. I will also discuss the research aim of our newly established group at LION.

Superconductors: Quantum marvels at all scales
Dr. Kaveh Lahabi, Assistant Professor Quantum materials & devices, Leiden University

What if a quantum particle was indifferent to its size? Enter the realm of superconductors, where quantum mechanics operates on micro- and macroscopic scales alike. Unlike ordinary matter, superconductors maintain their exotic quantum characteristics regardless of their size. In our research, we exploit this unique property to create and study rare quantum particles. I will also showcase the superconducting microscopy sensors developed in our lab at LION, which not only capture surface images, but also map electrical currents, magnetism, and temperature.

Is there a size limit to quantum physics? Is gravity quantum?
Dr.ir. Bas Hensen, Assistant Professor Optomechanics with superconducting particles, Leiden University

Despite its enormous success in explaining the microscopic world, quantum physics leaves us with a big open question: should it also be used to describe objects of human-scale size and beyond? According to general relativity, heavy objects generate gravity by deforming the space-time around it. What happens if a heavy object is in a quantum superposition of being in two places at once? Is the resulting space-time also in a superposition?

I will show the experimental work we do at LION to increase the size of objects that can still be in a quantum superposition. Will we be able to reach a size where we can detect their gravity? Or does quantum physics end beyond some size or mass?

Verstrengeling van quantum en de samenleving - hoe maken we quantum mainstream? 
Dr.ir. Julia Cramer, universitair docent Quantum & Society, Universiteit Leiden

Quantum-experts zijn het met elkaar eens: quantum technologie wordt de komende decennia baanbrekend op het gebied van informatietechnologie en de maatschappij zal hier drastisch door veranderen. Maar als we wat verder van de ‘kern’ van quantum-ontwikkelaars af bewegen, zien we dat quantum nog helemaal niet zo leeft in de samenleving. ‘Kwantum’, dat is toch een winkel? Moet het grote publiek kennis hebben van de basisbegrippen van de quantummechanica, en in hoeverre leven er grote verwachtingen van deze nieuwe technologie? Maakt het uit dat we verwijzen naar oude natuurkundigen die zeiden dat quantum spookachtig is, en dat niemand het echt snapt? En kunnen metaforen bijdragen aan de verbinding tussen quantum en de samenleving? In deze lezing neemt Julia Cramer ons mee in haar missie om quantum meer mainstream te maken.

Quantummechanica en filosofie
Dr. Marij van Strien, universitair docent Geschiedenis van de filosofie van de natuurwetenschappen, Radboud Universiteit

De theorie van de quantummechanica is heel succesvol, en tegelijk wordt quantummechanica vaak gepresenteerd als mysterieus, vreemd en eigenlijk niet te begrijpen: iets kan soms een golf zijn en soms een deeltje, katten kunnen levend en dood tegelijk zijn, wat waargenomen wordt ontstaat pas door de waarneming... In deze lezing bespreekt Marij van Strien de filosofische implicaties van de quantummechanica. Belangrijk is dat de theorie van de quantummechanica op heel verschillende manieren geïnterpreteerd kan worden, en verschillende interpretaties geven verschillende antwoorden op de vraag wat het allemaal betekent voor ons wereldbeeld.  

Prof.dr. Erik Verlinde, hoogleraar Theoretische natuurkunde, Universiteit van Amsterdam

Lange tijd leken de quantummechanica en zwaartekracht niet te verenigen te zijn binnen een theoretische beschrijving: de quantummechanica beschrijft het allerkleinste, zwaartekracht beïnvloedt het allergrootste, en er is weinig overlap. De snaartheorie en de bestudering van de horizons van zwarte gaten brachten hier verandering in. Ook de ontdekking van Stephen Hawking en Jacob Bekenstein dat zwarte gaten een temperatuur en een entropie dragen, speelt een centrale rol bij het samenbrengen van de theorieën over het allerkleinste en het allergrootste. Door deze ontwikkelingen gaan huidige theoretische inzichten er daarom vanuit dat quantummechanica en zwaartekracht juist nauw met elkaar verbonden zijn. Dit leidt tot de conclusie dat grote fenomenen als ruimte en tijd, tezamen met de zwaartekracht, als het ware tevoorschijn komen uit een microscopische quantumbeschrijving. In deze lezing zal Erik Verlinde een aanschouwelijk overzicht geven van deze boeiende wetenschappelijke ontwikkeling.