‘Er zijn momenten geweest dat ik dacht: het gaat ons niet lukken’

Haroche is geen vreemde in Nederland en zeker niet in Delft. Zijn werk is intellectueel verwant aan de qubits waarmee Delftse onderzoekers furore maken: in beide gevallen gaat het om constructies die kleine deeltjes opsluiten. In het geval van Haroche zijn dat fotonen, die hij opsluit in een holte met een extreem glad oppervlak, waarin het lichtdeeltje een fractie van een seconde kan bestaan en dan binnen de holte zo’n veertigduizend kilometer aflegt.

Dat is net genoeg om een zogeheten Rydberg atoom (een aangeslagen atoom met elektronen ver van de kern en dus een grote omvang) door de holte te sturen. Metingen aan het atoom na het verlaten van de holte verraden iets over de interactie tussen foton en atoom. Op deze manier kun je ‘meten’ aan het foton, iets wat normaalgesproken onmogelijk is.

Deze ‘fotondoos’ is het resultaat van een carrièrelange jacht, met talloze technische hobbels, vertelt Haroche: “Ik ben begonnen als wiskundige, maar dat vakgebied was met te abstract. Zo belandde ik in de natuurkunde en vervolgens in de kwantumoptica. Dat is geleidelijk gegaan. Mijn promotieonderzoek ging nog over het klassieke golfmodel van licht. Maar het verschijnsel liet zich ook in kwantumtermen beschrijven.”

“Bij de verdediging van mijn proefschrift zei een van mijn professoren: waarom haal je kwantumtheorie erbij, dat is helemaal niet nodig! Maar mij intrigeerde het. En ik besefte dat ik, om het kwantumaspect beter te bestuderen, het aantal atomen en fotonen in het experiment drastisch moest terugbrengen.”

Dat was begin jaren tachtig. Haroche en de groep trouwe medewerkers die hij in de loop der jaren om zich heen verzamelde, stelden zich ten doel de interactie tussen atomen en fotonen in steeds kleinere hoeveelheden te bestuderen, tot er uiteindelijk van allebei één overbleef. Een holte en Rydberg atomen maakten altijd deel uit van de theoretische oplossing, maar een massa van technologische obstakels moest eerst overwonnen worden.

“In de jaren tachtig slaagden we erin om een enkel atoom door de holte te sturen”, vertelt Haroche. “Tien jaar later lukte het om een enkel foton erin op te sluiten. En nog eens tien jaar later lukte het ons de interactie tussen die twee daadwerkelijk te meten. Er zijn momenten geweest dat ik dacht: het gaat ons niet lukken.”

Het grootste technische struikelblok bleek de fabricage van de holte (eigenlijk twee tegenover geplaatste holle spiegels). Een minuscule oneffenheid en je bent je foton kwijt. Uiteindelijk lukte het uit koper een superglad oppervlak te maken, met een bekleding van supergeleidend niobium voor de spiegelwerking. Haroche, met glimmende ogen: “Ik herinner me nog exact de dag in 2006 dat een van mijn medewerkers me kwam vertellen dat we een instrument hadden waarin fotonen lang genoeg bleven bestaan.”

De tientallen jaren van hard werk leverden Haroche vorig jaar de Nobelprijs voor natuurkunde op. Hij deelt die met Amerikaan David Wineland, die juist het tegenovergesteld presteerde: een enkel aangeslagen atoom temmen en manipuleren met lichtdeeltjes. Futuristen zien toepassingen in kwantumcomputers en supernauwkeurige klokken, maar Haroche laat zich daarover niet uit. Op dit moment wordt zijn agenda bezet door een lawine aan spreekbeurten en het besturen van zijn universiteit, het Collège de France.

“Volgend jaar wordt het weer rustiger, hoop ik”, zegt Haroche. “Dan kan ik me, samen met mijn medewerkers, storten op de volgende stap. We willen de levensduur van de fotonen nog met zeker een factor honderd verlengen en de atomen vertragen, zodat de interactietijd tussen beide toeneemt. Zo hopen we het kwantum Zeno effect waar te nemen, waarbij het systeem als het ware bevriest in de tijd.”