Friday, May 28, 2010

Every day a science quote

"Where is the wisdom we have lost in knowledge?
Where is the knowledge we have lost in information?" - T.S. Elliot, poet

I collect quotes about science & technology, not just from insiders, but also from outsiders.

Once a day for the next 365 days I will share one of these quotes via Twitter: 140 characters for some great, funny, philosophical and whatever thoughts about science & technology, the areas that shape our culture the most.

Follow the quotes on: http://twitter.com/ScientificQuote

And if you have your own favorite quote and like to share it, let me know...



Wednesday, May 26, 2010

Nederland tweede Twitterland ter wereld


Dom Sagolla, medeoprichter van Twitter, presenteerde op 26 mei 2010 tijdens WCIT2010 een Top 10 van meest twitterende landen. Nederland staat daarin tweede, net achter Sigapore.

Hier is de Landen-Top-10 (gebaseerd op aantallen tweets per hoofd van de bevolking):

1. Singapore
2. Nederland
3. Australië
4. Nieuw-Zeeland
5. VS
6. Canada
7. Ierland
8. Puerto Rico
9. Brazilië
10. Groot-Brittannië

Sagolla analyseerde hiervoor het wereldwijde twittergedrag op zaterdag 16 mei 2009 en zondag 16 mei 2010. Voor een betrouwbaardere statistiek zal hij ongetwijfeld meer dagen moeten analyseren, maar goed, dit is een begin.

Hij maakte ook een Top 10 van de minst twitterende landen:

1. Kongo en Ethiopië (ex aequo)
2. Kosovo
3. Bangladesh
4. Soedan
5. Oezbekistan
6. Somalië
7. Nepal
8. Pakistan
9. Nigeria
10. Britse Maagdeneilanden

Op de website '140 characters' van Dom Sagolla staan nog andere twitterlijstjes.

Connecting the world

From May 25 to May 27 Amsterdam hosts the 17th World Congress on Information Technology 2010: WCIT2010.

Click on the speaker names below to listen to three interesting Keynote lectures (MP3 audio files of about 20 MB):

Neelie Kroes, Commissioner Digital Agenda of the European Commission, talked on May 25 2010 about the importance of the European Digital Agenda.

His Royal Highness Willem-Alexander Prince of Orange talked on May 26 2010 about the importance of including all people to the digital world and not to exclude anybody.

Dom Sagolla, co-creator of Twitter, talked on May 26 2010 about how to change the world in 140 characters.





Wednesday, May 19, 2010

Slimme software moet duurzaamheid automatiseren


Wiskundigen en informatici buigen zich over efficiëntie en stabiliteit van het toekomstige slimme elektriciteitsnet.

Dit artikel is onder de titel 'Energieke agenten' verschenen in NRC Handelsblad, 15 mei 2010


Wie het licht aan doet, wil dat er meteen voldoende elektriciteit is om de lamp te laten branden. Maar wie ’s avonds laat met de elektrische auto thuis komt en de oplaadstekker in de auto steekt, zal het een zorg zijn of de accu meteen gaat opladen, of pas later in de nacht. Vooral wanneer de elektriciteitsprijs in de toekomst sterker wordt gekoppeld aan de wet van vraag en aanbod kan het juist voordeliger zijn om ’s nachts op te laden, als de stroomvraag afneemt en de prijs daalt. Opblijven om te zien wanneer de prijs daalt hoeft niet. Slimme software, die zelf beslissingen kan nemen, is in ontwikkeling.

Twee recent gestarte onderzoeksprojecten maken en testen die software. Afgelopen februari startte energieonderzoeksinstituut ECN in het Groningse Hoogkerk het proefproject PowerMatcher. Daarin brengt voor het eerst in Nederland slimme software de vraag en het aanbod van elektriciteit met elkaar in overeenstemming. Voorlopig in dertig woningen. De elektriciteit wordt geveild en ECN gebruikt software die zelf kan bieden, na algemene instructie door de gebruiker. Misschien is dat over twintig jaar in heel Nederland de dagelijkse praktijk. Over de praktijk in Hoogkerk stond vorige maand een artikel in deze krant (13 maart).

Ondertussen onderzoekt – in een tweede project – het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) alternatieve systemen. CWI-onderzoeker en hoogleraar aan de Universiteit Utrecht Han La Poutré: “Wij bekijken geen veilingmechanisme zoals ECN, maar onderzoeken verschillende marktsystemen, zoals dynamische prijzen, alternatieve veilingtypen of vooruit reserveren.” De software moet een balans vinden tussen de belangen van consument, producent en netbeheerder. Zonder dat het grid overbelast raakt. La Poutré: “Uitgangspunt is dat een nette gebruiker een nette prijs voor zijn elektriciteit betaalt en dat de energie duurzaam wordt gebruikt.”

Uiteindelijk moet er een ‘slim stroomnet’ ontstaan. De energiewereld is er van overtuigd dat zo’n smart grid er komt. Niet alleen om efficiënter met energie om te gaan, maar ook om decentraal opgewekte duurzame elektriciteit (via windmolens, zonnepanelen, microwarmtekracht) aan het bestaande elektriciteitsnet te leveren.

In een smart grid nemen software-agenten – slimme computerprogramma’s eigenlijk – namens consumenten, producenten of netbeheerders zelfstandig beslissingen. Ze krijgen begininstructies, passen zich aan de eisen van hun omgeving aan en leren van eerdere ervaringen. Ze kunnen bijvoorbeeld continu met elkaar onderhandelen over de elektriciteitsprijs en -hoeveelheid en ze kunnen de consument of producent vertegenwoordigen op een online-elektriciteitsveiling.

Op basis van vraag, aanbod, prijs, netcapaciteit en andere randvoorwaarden maken software-agenten veel sneller een rationele keuze dan mensen dat zouden kunnen. La Poutré: “Software-agenten kunnen een deel van het duurzame consumentengedrag automatiseren. Voor het gebruikersgemak moet de consument wel kunnen instellen hoeveel controle hij zelf wil hebben, bijvoorbeeld via drie knoppen: ‘basis’, ‘gevorderd’ en ‘expert’. Je kunt je voorstellen dat je instelt welke prijsrisico je wilt nemen bij het inkopen van de elektriciteit. En je zou kunnen instellen van welke apparaten je het energiegebruik gewoon zelf wilt beheren en welke apparaten je aan de software-agent overlaat.”

Het CWI trekt een miljoen euro uit om zulke zaken te onderzoeken in het multidisciplinaire project Computational Energy Systems, met consultancy-instituut KEMA en energieonderzoeksinstituut ECN als partners. Naast variabele prijzen, het aankoppelen van kleine, duurzame leveranciers kijkt het project ook hoe sensoren in een gebouw kunnen helpen om het energieverbruik te minimaliseren. CWI-onderzoeker Han La Poutré werkt al acht jaar aan de ontwikkeling van slimme software-agenten voor diverse logistieke toepassingen, en gaat die kennis nu inzetten voor het smart grid. Waar de introductie van de slimme energiemeter nog worstelt met de privacyvraag (hij kan doorgeven wanneer een huishouden energie gebruikt), moeten de software-agenten de privacy blijven waarborgen.

“Elektriciteitsbeheerders en -producenten hebben voldoende aan het totaal van een hele straat of wijk, waarin jouw verbruik onzichtbaar is”, zegt La Poutré. “Zij hoeven niet te weten welk type koelkast je gebruikt en wanneer je gewoonlijk een douche neemt, als je eigen software-agent dat maar weet. Je blijft de baas over je eigen software-agenten.” Zoals je ook de baas bent en de instellingen beheert van de software die je op je eigen computer installeert.

Moeten we niet bang zijn dat de complexiteit van zo'n net vol software-agenten ons boven het hoofd groeit? Complexe softwareprojecten zijn de afgelopen jaren soms immers verzand in aandoenlijke struikelpartijen. Denk aan de Roertunnel en de Swalmentunnel in de A73, waarvan de softwarematig gekoppelde veiligheidssystemen zo complex blijken dat de tunnels al meer dan een jaar problemen kennen.

“Overcomplexiteit, waarbij niemand meer precies weet hoe het systeem functioneert, ligt altijd op de loer”, beaamt La Poutré. “Daarom kijken we niet alleen naar de efficiëntie van het systeem, maar ook naar de robuustheid. Bovendien is een grootschalige inzet van geavanceerde software-agenten in een smart grid niet iets voor morgen of overmorgen, maar eerder voor tussen 2020 en 2030. Je moet ze stap voor stap uitrollen: eerst testen in een simulatie, dan een pilotproject bij een onderzoeksinstituut, vervolgens in een echte wijk en pas als dat allemaal betrouwbaar werkt, kun je het landelijk uitrollen.”



Sunday, May 16, 2010

De laser wordt 50...en vernieuwt zich nog steeds


Dit artikel is in ietwat verkorte vorm gepubliceerd in NRC Handelsblad, 15 mei 2010


De laser wordt vijftig...


Samen met de computer en de transistor behoort de laser tot de succesvolste uitvindingen van de 20e eeuw. Precies vijftig jaar geleden zag de eerste laser het licht.

Het is maandagmiddag 16 mei 1960. Theodore Maiman en zijn assistent Irnee D’Haenens staan klaar voor de eerste test van hun robijnlaser. Het apparaat ziet er bedrieglijk eenvoudig uit. In een aluminium omhulsel niet groter dan een drinkglas zit een robijnstaaf met spiegelende uiteinden. Daaromheen is een spiraalvormige flitslamp gedraaid, in die dagen de krachtigste flitslamp gebruikt door fotografen.

Negen maanden heeft Maiman aan het ontwerp gewerkt, in het geniep voor zijn eigen bazen. Zijn werkgever, Hughes Research Laboratories in Californië, ziet namelijk niets in Maimans poging om een robijnlaser te bouwen. Een topnatuurkundige bij Bell Labs, Arthur Schawlow, heeft immers voorspeld dat robijn niet als lasermateriaal kan werken. Vrijwel alle laseronderzoekers geloven hem. Hetzelfde doet het Hughes-management. Maiman heeft Schawlows voorspelling echter experimenteel en theoretisch uitgeplozen en denkt dat zijn Bell-Labs-concurrent het bij het verkeerde eind heeft. Hij combineert zijn achtergrond als elektrotechnisch ingenieur en natuurkundige, en bouwt samen met Irnee D’Haenens een elegante opstelling met robijn als kloppend hart.

Terwijl het machtige Bell Labs gelooft dat het zelf spoedig de eerste laser zal demonstreren, schroeven Maiman en D’Haenens de elektrische spanning op de flitslamp langzaam op. Een krachtige flits moet laserlicht uit de robijnstaaf zien te persen. Ze kijken op de oscilloscoop, die het uitvoersignaal van de robijnlaser analyseert. Wanneer ze de teller boven de 950 volt draaien, gebeurt het. “Het uitvoersignaal op de oscilloscoop schiet razendsnel omhoog en meteen weer snel omlaag. De voorspelde piek. Voilà, dit is het. De laser is geboren.” Zo herinnert Maiman zich in zijn autobiografie The Laser Odyssey de allereerste laserpuls.

Goudsmits blunder
Maiman herhaalt het experiment en overtuigt zich ervan dat alles klopt. De allereerste laserbundel blijkt zelfs krachtig genoeg om een gaatje in een scheermesje te schieten − een ‘één-Gilette-laser’ zou Maiman zijn robijnlaser later noemen. Niet alleen heeft hij de eerste werkende laser gebouwd, het is ook een ander type laser dan waar alle andere onderzoekers aan werken: een laser die korte pulsen afvuurt in plaats van een continue straal.

Ruim een maand na zijn eerste laserdemonstratie, stuurt Maiman het wetenschappelijke artikel erover naar het tijdschrift Physical Review Letters, eerste keus voor doorbraken in de natuurkunde. De Nederlander Samuel Goudsmit heeft het tijdschrift in 1958 opgericht en is de hoofdredacteur. Goudsmit had in 1925 in Leiden samen met George Uhlenbeck het concept van de elektronenspin bedacht en was twee jaar later naar de VS geëmigreerd. Hij is iemand van de fundamentele natuurkunde, niet van de toepassingen. Wanneer Goudsmit Maimans artikel op 24 juni 1960 voor ogen krijgt, stuurt hij het vrijwel meteen terug met de opmerking “Het zou beter zijn uw artikel ter publicatie aan te bieden aan een tijdschrift over toegepaste natuurkunde, waar het op een geschikter publiek zou kunnen rekenen.”

Deze weigering is een van de grootste blunders uit de geschiedenis van het prestigieuze tijdschrift. Goudsmit ziet de laser – toen nog ‘optische maser’ genoemd – als niets anders dan een speciaal soort maser. De maser is het microgolfbroertje van de laser, in 1953 uitgevonden door de Amerikaan Charles Townes. Goudsmit vindt dat er te veel artikelen over de maser verschijnen en tenzij ze echt fundamenteel nieuw inzicht leveren, wil hij geen maserartikelen meer publiceren.

De in lasers gespecialiseerde journalist Jeff Hecht − auteur van het boek Beam - The race to make the laser − zegt desgevraagd over de weigering van Maimans artikel: “Goudsmit heeft het compleet verknald! Overduidelijk bleek dat hij gewoon niet begreep wat voor een grote prestatie Maiman had geleverd. En hij was later niet mans genoeg om te zeggen: O, dat heb ik gemist.”

Patentenoorlog
Binnen enkele weken reproduceerden andere onderzoeksgroepen Maimans robijnlaser. Feest voor Maiman, zou je denken. Maar nee, hij moest voor zijn erkenning gaan vechten. Allereerst toonde het machtige Bell Labs zich een slecht verliezer. Het had op papier de beste onderzoekers en stopte het meeste geld in het laseronderzoek. Toch moest het toezien hoe een outsider er met de buit vandoor ging. Van begin af aan kleineerde Bell Labs Maimans prestatie.

Bovendien ontbrandde een strijd om het geestelijke vaderschap van de laser. In 1958 hadden Charles Townes en zijn zwager en Bell Labs-onderzoeker Arthur Schawlow een baanbrekend wetenschappelijk artikel gepubliceerd dat beschrijft hoe een laser in principe moet kunnen werken. Bell Labs claimt nog steeds dat dit de uitvinding van de laser betekende. Ten onrechte, want de stap van theorie naar praktijk bleek extreem weerbarstig. Onduidelijk was vooral werk materiaal als lasermedium zou werken. Wel gaf het artikel van Townes en Schawlow het startschot voor de race om de eerste laser.

Maar vrijwel tegelijkertijd bedacht Gordon Gould, onafhankelijk van Townes en Schawlow, hetzelfde basisontwerp. Gould droomde ervan een uitvinder à la Thomas Edison te worden. Waar Townes en Schawlow voor de wetenschappelijke erkenning gingen en die ook kregen − een Nobelprijs in respectievelijk 1964 en 1981 − ging Gould voor het grote geld. Hij schreef zijn laserontwerp in een notitieboekje en liet een notaris er een officiële stempel in zetten, voorzien van de datum 13 november 1957. Hij diende echter geen patent in, omdat hij ten onrechte dacht dat hij daarvoor ook een werkende laser moest demonstreren. Die misser kwam hem in eerste instantie duur te staan. Townes en Schawlow dienden namens Bell Labs in juli 1958 namelijk wel een patentaanvraag in.


Toen Gould zijn misser ontdekte, diende hij in april 1959 alsnog een patentaanvraag in. Te laat. Het patent ging in maart 1960 naar Townes en Schawlow. Vanaf toen ging Gould zijn door de notaris gestempelde notitieboekje inzetten als zijn ultieme claim to fame. Wie ook de eerste laser in zijn hoofd heeft bedacht, Townes of Gould, Gould kon laten zien dat hij zijn ontwerp als eerste had laten stempelen.

Waar Townes en Schawlow hun werk openbaar maakten in wetenschappelijke tijdschriften, deed Gould, die zijn promotieonderzoek tot minachting van zijn wetenschappelijke collega’s nooit zou afmaken, dat niet of nauwelijks. Dat zette kwaad bloed. Townes verdacht Gould ervan dat hij zijn ideeën had gestolen en ze zonder bronvermelding gebruikte. In oktober 1957 hadden ze kort met elkaar gesproken over de mogelijkheden om een laser te bouwen, maar daarna gingen ze ieder hun eigen weg. Gould op zijn beurt wantrouwde Townes. Hij vond dat hij recht had op het laserpatent en wat volgde was een bijna dertig jaar lange patentenoorlog, waarin Gould, na talloze verloren rechtszaken, in 1987 uiteindelijk toch aan het langste eind trok. Hij kreeg toen het laatste van vier belangrijke laserpatenten, destijds goed voor inkomsten van twaalf miljoen dollar per jaar.

Wie heeft dan de laser uitgevonden? Maiman, Townes, Schawlow en Gould hebben ieder belangrijke bijdragen geleverd aan de uitvinding van de laser. Jeff Hecht zegt erover: “Technologie ontwikkelt zich geleidelijk. Townes formuleerde het probleem van de fysica van de laser. Gould bedacht een oplossing. Townes en Schawlow deden onafhankelijk van Gould hetzelfde. Maiman vond op geheel eigen wijze de eerste praktische realisatie.” Wrang is wel dat waar Townes en Schawlow een Nobelprijs ontvingen en Gould uiteindelijk een rijk man werd, Maiman altijd heeft moeten vechten voor erkenning. Zijn briljante ingenieurswerk werd voortdurend minder op waarde geschat dan het voorbereidende wetenschappelijke laserwerk. “Als we nu terugkijken”, vertelt Hecht, “dan hadden Townes en Maiman samen de Nobelprijs moeten krijgen, Townes voor de ideeën en Maiman voor de praktische uitvoering, maar dat is helaas niet gebeurd.”

Niemand heeft de laser van A to Z uitgevonden. Maar voor de maatschappij die van de uitvinding profiteert, maakt dat ook niet uit.

...en vernieuwt zich nog steeds

De laser is nog lang niet uitontwikkeld. Het apparaat kan nog kleiner worden, nog kortere pulsen maken en nog kortere golflengten.

De uitvinders van de laser hadden niet kunnen voorspellen dat het apparaat zo succesvol zou worden. Nadat Theodore Maiman de eerste laserpuls had gecreëerd, noemde zijn assistent Irnee D’Haenens de laser enigszins gekscherend “een oplossing op zoek naar een probleem”. Een prachtprestatie, dat laserlicht, maar wat moest je er nu mee doen?

Vijftig jaar later vuren wereldwijd miljoenen lasers dagelijks hun laserstralen in honderden toepassingen. Van het vast laseren van een losgelaten netvlies tot het scannen van de streepjescode in de supermarkt; van het afspelen van cd’s en dvd’s tot het razendsnel rondsturen van onze telefoontjes en e-mails via glasvezels.

Ook op de wetenschap heeft de laser een grote invloed gehad. Acht Nobelprijzen zijn direct of indirect toe te schrijven aan het succes van de laser, van het koelen van atomen tot dichtbij het absolute nulpunt tot het in beeld brengen van ultrasnelle chemische reacties.

Het geheim van laserlicht is dat het zo extreem netjes in ruimte en tijd geordend is. Laserlicht bestaat uit golven met precies dezelfde golflengte, die precies in dezelfde richting lopen en ook nog eens perfect in de pas: golftoppen vallen precies over golftoppen, golfdalen precies over golfdalen. Heel anders dan alle andere lampen, die altijd licht uitzenden van meerdere golflengten tegelijk, met een allegaartje van golven die door elkaar heen lopen en ook nog eens nooit exact in dezelfde richting. Een rode laser produceert één scherp gedefinieerde frequentie. Elke andere rode lamp zendt meerdere, iets verschillende frequenties uit.

De extreem nette ordening in ruimte en tijd van laserlicht ontstaat door een bijzonder natuurkundig verschijnsel dat gestimuleerde emissie heet. In het technische hart van de laser wordt eerst de meerderheid van de atomen in het lasermedium in een hogere energietoestand gebracht (aangeslagen toestand). Vervolgens worden die aangeslagen atomen getroffen door lichtdeeltjes met precies de juiste golflengte. Zo worden ze gestimuleerd om zelf nieuwe lichtdeeltjes uit te zenden met precies dezelfde golflengte als die van de invallende lichtdeeltjes. Dat is de gestimuleerde emissie, die Albert Einstein in 1916 voor het eerst voorspelde.

Dankzij dit verschijnsel en dankzij versterking van het licht tussen twee spiegels, produceert de laser een krachtige lichtstraal van één bepaalde kleur of golflengte die nauwelijks naar de zijkanten uitwaaiert. Dat levert de vlijmscherpe lichtstralen die we kennen van laserpointers en lasershows. Afhankelijk van het ontwerp kan een laser continu of gepulst een lichtstraal produceren. Het voordeel van gepulste lasers is dat ze veel meer energie in een korte tijd kunnen leveren dan continue lasers. Golflengte (kleur), pulsduur, vermogen en breedte van het laserlicht variëren per lasertype en -toepassing.

Nanolaser
In vijftig jaar tijd heeft Maimans allereerste laser vele familieleden erbij gekregen. Nieuwe lasers gingen steeds weer andere golflengten of kleuren genereren, van infraroodlasers voor bijvoorbeeld landmeting en cd-spelers, tot ultravioletlasers, voor bijvoorbeeld ooglasering of het snijden in allerhande materialen. Maar ook zeer uiteenlopende vermogens, van zwakke laserpointers met een vermogen van minder dan een milliwatt, tot ultrakrachtige petawattlasers (10^15 watt) die worden gebruikt voor onderzoek naar het opwekken van kernfusie met laserlicht.

Is de laser nu dan uitontwikkeld? Nee, noch wat betreft de ontwikkeling van nieuwe lasertypen, noch wat betreft toepassingen van bestaande lasertypen. Het apparaat kan nog kleiner worden, nog kortere pulsen maken en nog kortere golflengten.

De veelbelovendste nieuwe toepassingen zijn misschien wel te verwachten van de voortdurende miniaturisering van de laser. In 2009 maakten Amerikaanse onderzoekers de allerkleinste laser, die zichtbaar laserlicht produceert als een puntje van vijf nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter). Dat is kleiner dan een enkel eiwit. Veel laseronderzoekers verwachten dat de laser binnen tien jaar een lichtpuntje kan maken niet groter dan een nanometer; honderden malen kleiner dan de golflengte van het licht zelf.

Rust een microscoop uit met zo’n nanolaser en hij biedt de mogelijkheid om de belangrijkste informatie van biomoleculen als RNA of DNA, hun basevolgorde, direct af te lezen. Basen zijn veel kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht. Vandaar dat een gewone lichtmicroscoop ze niet kan zien. Maar dat lukt wel wanneer hetzelfde licht uit een opening komt die kleiner is dan een base. Dat is de truc die de nanolaser kan uithalen.

Daarnaast bieden nanolasers ook grote mogelijkheden om digitale informatie op een nog kleinere oppervlakte op te slaan. Een dunner pennetje kan immers fijner schrijven.

Ten slotte zetten nanolasers een stap in de richting naar nog snellere computers. Huidige computers zijn gebaseerd op elektronica. Een computer die informatie grotendeels met licht (fotonica) verwerkt in plaats van met elektronen, zou veel meer informatie per seconde kunnen verwerken. Om van elektronicagebaseerde computers geleidelijk over te stappen op lichtgebaseerde computers, zou steeds meer elektronica door fotonica moeten worden vervangen. Dat kan alleen als er een handige manier is om de elektronica met de fotonica te laten praten. Nanolasers bieden die mogelijkheid.

Laserpuntjes ter grootte van een nanometer hebben namelijk dezelfde orde van grootte als de golflengte van een elektron. Dat betekent dat er een natuurlijke koppeling ontstaat tussen elektronica en fotonica en dat beide informatie met elkaar kunnen uitwisselen.

Attosecondelaser
Een tweede fundamentele ontwikkeling ligt in het verkorten van de pulsduur van gepulste lasers. Gepulste lasers zijn onder andere handig om razendsnelle bewegingen te ‘fotograferen’. De pulsduur is dan zoiets als de flitsduur bij een fotoapparaat of een stroboscoop. Hoe korter de pulsduur, hoe scherper de laser snelle bewegingen in beeld brengt. De snelste lasers genereren nu pulsen met een duur van een miljoenste van een miljoenste van een milliseconde: een femtoseconde (10^-15 seconde).

Maar als de huidige ontwikkelingen in hetzelfde tempo doorzetten, dan behoren attosecondelasers binnen tien jaar tot de standaard wetenschappelijke gereedschapskist. Zij produceren pulsen die nog eens een factor duizend korter zijn: een attoseconde (10^-18 seconde). Nu is het mooie dat een attoseconde de natuurlijke tijdschaal is van elektronen die in een atoom rond de kern bewegen. Zo cirkelt het enkele elektron van een waterstofatoom in honderdvijftig attoseconde rond zijn kern. En bovendien komt een attoseconde ongeveer overeen met de tijd die het licht zelf nodig heeft om de diameter van een atoom te doorkruisen. Daarom kunnen attosecondelasers in principe stroboscopische opnamen maken van hoe elektronenwolken zich gedragen tijdens een chemische reactie. Daarmee kunnen wetenschappers chemische reacties beter begrijpen en hopelijk ook beter naar hun hand zetten.

Röntgenlaser
Naast het verkleinen van de laser en het verkorten van de pulsduur, zit een derde fundamentele laserontwikkeling in het verkorten van de golflengte. Waar de pulsduur van de laser bepaalt hoe snel de bewegingen mogen zijn die je nog kunt fotograferen, bepaalt de golflengte van het laserlicht hoe klein de structuren kunnen zijn die de laser nog kan fotograferen. Hoe korter de golflengte, hoe groter de resolutie.

Sinds de uitvinding van de laser is voortdurend geprobeerd om de golflengte te verkorten. Daar is echter steeds meer energie voor nodig. En dat is de reden dat röntgenlasers, met een veel kortere golflengte dan zichtbaar licht en zelfs nog korter dan ultraviolet licht, al snel een fabrieksgebouw groot zijn. In 2009 is in de Verenigde Staten de Linac Coherent Light Source (LCLS) aangezet. En vanaf 2014 zou de Europese concurrent, de X-ray Free Electron Laser (XFEL) bij het Duitse Hamburg, zijn eerste röntgenlaserlicht moeten produceren.

Met dit röntgenlaserlicht willen wetenschappers de atomaire details van virussen en eiwitten in beeld brengen, de moleculaire samenstelling van cellen, driedimensionale plaatjes van de nanowereld maken en chemische reacties bestuderen. Voor de studie van biomoleculen biedt röntgenlaserlicht een groot voordeel boven gewoon, niet-coherent röntgenlicht. Onderzoekers hoeven niet eerst een kristal van de biomoleculen te maken − iets wat voor veel van zulke moleculen in de praktijk zeer lastig is gebleken. Ze kunnen de moleculen in een bundel röntgenlaserlicht brengen en hun driedimensionale structuur in kaart brengen. Zo kunnen de nieuwe röntgenlasers een nieuwe kijk bieden op precies die moleculen die in de levenswetenschappen van cruciaal belang zijn.

Laserpionier en Nobelprijswinnaar Charles Townes verwachtte in 1960 alleen maar lasertoepassingen op het gebied van communicatie en in de wetenschap. Van de belangrijkste laserpioniers is hij een van de weinige nog levende. In juli van dit jaar hoopt Townes 95 te worden. “Vele toepassingen van de laser had ik nooit kunnen bedenken”, zei hij in een recent interview. “Ik had bijvoorbeeld nooit gedacht dat de laser zo’n belangrijk instrument in de geneeskunde zou worden. Het is enorm bevredigend om te weten dat vele ogen van mijn vrienden gered zijn door de laser.” Alles lijkt erop dat de toekomst van de laser minstens zo rijk gaat zijn als de geschiedenis.

Internet
Algemeen:
www.laserfest.org/ Veel achtergrondinformatie en video’s op deze site over de viering van 50 jaar lasers
www.youtube.com/watch?v=7wyp909mQPM De beroemde laserscène in de James Bond-film Goldfinger uit 1964

Mijn eerdere blogbijdrage over de uitgebreide geschiedenis van de laser:

Ultrasnel:

Röntgenlasers:
http://lcls.slac.stanford.edu/ Amerikaanse röntgenlaser LCLS (Linac Coherent Light Source) http://xfel.desy.de/ Europese röntgenlaser XFEL in Hamburg

Laserfusie:
Detectie zwaartekrachtgolven:
Video-uitleg van LIGO: www.youtube.com/watch?v=RzZgFKoIfQI

Laser-plasmaversneller:
Boeken
Beam − The race to make the laser. Jeff Hecht. Oxford University Press (2005)
Laser − The Inventor, the Nobel Laureate, and the Thirty-Year Patent War. Nick Taylor. iUniverse.com (2007)

Thursday, May 13, 2010

Rekenen aan de gedroomde kwantumcomputer


Fundamenteel onderzoek naar de grondslagen van de kwantummechanica levert onverwacht praktisch inzicht in de bouweisen van een toekomstige kwantumcomputer.

Een van de ultieme dromen van natuurkundigen en informatici is het bouwen van een kwantumcomputer. Zo’n kwantumcomputer zou sommige rekenproblemen veel sneller kunnen oplossen dan willekeurig welke klassieke computer ooit voor elkaar kan krijgen. Een gewone computer rekent met een bit als eenheid van informatie: een 0 of een 1.

Een kwantumcomputer is een fundamenteel nieuw type computer, die rekent volgens de wetten van de kwantummechanica. Het equivalent van een bit in de kwantumwereld is een kwantumbit. Een kwantumbit is niet 0 of 1, maar kan tegelijk 0 en 1 zijn. Preciezer gezegd: een kwantumbit kan zich in een superpositie van 0 en 1 bevinden. Als er een kans p is dat het kwantumbit bij de meting 0 is, dan is er een kans (1-p) dat het kwantumbit bij meting een 1 is.

Deze kwantumeigenschap biedt ongekende rekenmogelijkheden. Met twee klassieke bits kun je vier combinaties vormen: 00, 01, 10 en 11, maar nooit tegelijk. Twee kwantumbits kunnen zich echter tegelijk in een superpositie van die vier toestanden bevinden. Dus waar N klassieke bits 2^N toestanden kunnen maken, maar niet tegelijk, kunnen N kwantumbits 2^N toestanden tegelijk maken.

Verstrengeling
Wat ook nieuw is aan een kwantumcomputer ten opzichte van een klassieke computer, is het fenomeen verstrengeling. Bij twee klassieke bits heeft de waarde van het ene bit geen invloed op de waarde van het andere. Kwantumbits kunnen daarentegen verstrengeld zijn. Stel, je genereert twee kwantumbits die zich in een superpositie van de twee toestanden 00 en 11 bevinden. Dat paar heet een EPR-paar.

Vervolgens verwijder je de twee kwantumbits van elkaar, waarna je ze allebei tegelijk gaat meten. Als het eerste kwantumbit dan een 1 is, moet volgens de kwantummechanica het andere kwantumbit ook een 1 zijn. En als het eerste een 0 is, dan is het tweede dat ook. De meting van het ene kwantumbit verandert onmiddellijk de toestand van het andere kwantumbit, hoe ver de twee ook van elkaar verwijderd zijn.

“Verstrengeling en superpositie zijn zo contra-intuïtief”, vertelt hoogleraar Harry Buhrman van het Centrum Wiskunde & Informatica, “dat natuurkundigen nog steeds worstelen met de vraag waarom de kwantummechanica zo in elkaar zit als ze zit. Nu onderzoek ik zelf problemen die een toekomstige kwantumcomputer veel sneller kan oplossen dan een klassieke computer. Het interessante is dat mijn werk automatisch raakt aan de vraag naar de fundamentele aard van de kwantummechanica.”

Een van de problemen die een kwantumcomputer veel sneller kan oplossen dan een klassieke computer, is het agendaprobleem. Stel, Alice woont in Amsterdam en Bob in New York. Ze proberen een afspraak te maken door hun agenda’s te raadplegen. Als de agenda N bits bevat, dan moeten ze in het algemeen al die N bits uitwisselen om een geschikte dag voor een afspraak te vinden. Maar als ze gebruik zouden maken van de EPR-paren uit de kwantumwereld, hoeven ze maar √N bits uit te wisselen. “Door gebruik te maken van verstrengeling”, zegt Buhrman, “kun je sommige communicatieproblemen met de uitwisseling van veel minder bits oplossen.”

Super-kwantumwereld
Om de kwantummechanica op een nieuwe manier te testen, verzonnen Clauser, Horne, Shimony en Holt in 1969 het theoretische CHSH-spel. Het spel kent twee spelers: Alice en Bob. Zij hebben van tevoren een strategie met elkaar afgesproken, maar mogen tijdens het spel niet met elkaar communiceren. Zij krijgen ieder één bit als invoer, zeg x en y. Vervolgens moeten ze één bit als uitvoer genereren, zeg a en b. Zij winnen het spel als ze erin slagen dat ‘x × y= a XOR b’ (a XOR b = 0 als a en b allebei 0 of allebei 1 zijn, anders is de uitkomst 1). In de klassieke wereld kunnen Alice en Bob dit spel met een kans van 75 procent winnen en in de kwantumwereld – met gebruik van een epr-paar – met een kans van iets meer dan 85 procent.

“Nu kun je ook een soort super-kwantumwereld definiëren”, vertelt Buhrman, “waarin je het spel altijd wint, dus met een kans van 100 procent. Het bijzondere van deze super-kwantumwereld is dat je daarin sommige moeilijke communicatieproblemen met de uitwisseling van slechts één bit kunt oplossen. En in deze super-kwantumwereld geldt nog steeds de regel dat je informatie niet sneller dan het licht kunt versturen, zoals dat in de echte kwantumwereld ook niet kan.”

Buhrman heeft met zijn collega’s het regime onderzocht waarin Alice en Bob het CHSH-spel kunnen winnen met een kans die tussen de 85 procent van de echte kwantummechanica en de 100 procent van de super-kwantummechanica in ligt. Zij bewezen dat als je de kans om het spel te winnen verlaagt van honderd naar 90 procent, het oplossen van sommige moeilijke communicatieproblemen nog steeds met een enkel bit kan, zoals in de ideale super-kwantumwereld.

Buhrman: “Bij een winstkans van 85 procent, zoals in de echte kwantumwereld, heb je veel communicatie nodig om sommige van die moeilijke problemen op te lossen. Maar bij een winstkans van 90 procent volstaat altijd slechts dat ene bit. Dit resultaat laat zien dat er een scherpe overgang is van een wereld waarin sommige communicatieproblemen moeilijk zijn op te lossen en een wereld waarin ze juist triviaal zijn.”

Het bewijs dat tot dit resultaat heeft geleid lijkt in eerste instantie alleen van fundamenteel belang voor een beter begrip van de kwantumwereld. Toch blijkt het onverwachte toepassingen te hebben. Buhrman en zijn collega’s hebben het gebruikt om een beter inzicht te krijgen in de bouweisen van een toekomstige kwantumcomputer (zie kader). Desondanks zijn we echter nog ver weg van de bouw van een echte kwantumcomputer. Voorlopig is het in laboratoria alleen nog maar gelukt om simpele berekeningen met enkele kwantumbits uit te voeren.


[kader] De foutenmarge van de kwantumcomputer

Rekenprocessoren bestaan uit logische poorten en er is altijd een kans dat een poort stuk is. Bij een kwantumcomputer speelt de extra complicatie dat kwantumbits in het kwantumgeheugen hun superpositie kunnen verliezen (decoherentie), bijvoorbeeld als ze onvoldoende van de omgeving zijn afgeschermd.

Om te zorgen dat foute poorten en decoherente kwantumbits geen invloed hebben op de uitkomsten van de computer, wil je weten hoeveel fouten de computer tolereert. De ondergrens voor de fouttolerantie van een kwantumcomputer is ongeveer een tienduizendste. Dat betekent dat een kwantumcomputer die in minder dan 1 op de 10.000 logische poorten een fout bevat nog steeds vrijwel zeker de goede uitkomsten levert.

Nu kun je ook een bovengrens definiëren. Als de foutenmarge boven deze grens uitkomt, worden de uitkomsten van de kwantumcomputer volkomen onbetrouwbaar. Tot voor kort lag die bovengrens bij 55 procent. Buhrman en zijn collega’s hebben met hun theoretische verkenningen van de super-kwantumwereld aangetoond dat de bovengrens verlaagd kan worden naar 40 procent.

De uitdaging is om zo precies mogelijk te achterhalen wat de onder- en bovengrenzen zijn voor de fouttolerantie van een kwantumcomputer. Deze grenzen vertellen een experimentator hoe goed hij kwantumbits moet opslaan en bewerken om een werkende kwantumcomputer te bouwen.

Dit artikel heb ik oorspronkelijk geschreven voor het boek Omringd door informatica. Ik heb aan de populair-wetenschappelijke website Kennislink toestemming gegeven om het over te nemen, vandaar dat ik het ook op mijn eigen site heb gezet.

Hoe werkt intelligent cameratoezicht?

Vier voorbeelden van een eigenface, afkomstig van AT&T Laboratories, Cambridge (Bron: Wikipedia)

Cameratoezicht in de openbare ruimte is in de afgelopen jaren steeds meer opgerukt: in winkels, op straat, in parkeergarages en in voetbalstadions. Met deze toename is ook de behoefte aan intelligent cameratoezicht toegenomen, waarbij niet een mens maar een computer de beelden automatisch interpreteert.

Nu is het menselijke vermogen om beelden te interpreteren in miljoenen jaren geëvolueerd tot een uiterst snel en efficiënt waarnemingssysteem. Maar voor een computer is het interpreteren van een beeld een van de moeilijkste uitdagingen die er zijn – nog moeilijker dan het analyseren van schrift, geluid en spraak. In essentie komt dat doordat hetzelfde voorwerp er voor een computer onder een andere hoek en bij een andere belichting heel anders uitziet. Nog moeilijker wordt het als voorwerpen ook nog in het beeld bewegen.

Gezichtsherkenning
Stel dat een intelligent camerasysteem een mensenmenigte in de gaten houdt en naar personen moet zoeken die in een database met verdachten voorkomen. Dan moet de camera eerst gezichten onderscheiden van de omgeving en erop inzoomen. Dat is een taak die de computer nog vrij gemakkelijk uitvoert op basis van het herkennen van een ovale vorm met twee ogen en een neus. Maar daarna wordt het moeilijker: hoe komt de gezichtsherkenningssoftware erachter of het gezicht in de bestaande database voorkomt?

Traditionele tweedimensionale gezichtsherkenning gaat ervan uit dat het gezicht recht in de camera kijkt en dat de belichting nauwelijks afwijkt van die van de foto in de database. Tegenwoordig wordt er hard gewerkt aan driedimensionale gezichtsherkenning waarbij het gezicht niet langer recht in de camera hoeft te kijken.

Zowel bij de twee- als bij de driedimensionale gezichtsherkenning moet het gezicht worden uitgedrukt in getalsmatige kenmerken, zoals de afstand tussen de ogen, de breedte van de neus, de diepte van de oogbollen, de vorm van de jukbeenderen en de lengte van de kaaklijn – allemaal kenmerken die bij volwassenen in de tijd nauwelijks veranderen. Deze getallen worden samengevoegd in een unieke numerieke code: de digitale gezichtsafdruk. Haarstijlen, baarden, snorren en brillen tellen trouwens niet mee, omdat die in de tijd nogal veranderen.

Eigenfaces
Voor het genereren van de digitale gezichtsafdruk bestaan talloze algoritmen. Een van de meest toegepaste is gebaseerd op het idee dat je elk gezicht kunt uitdrukken in een combinatie van basisvormen die in alle menselijke gezichten voorkomen (eigenfaces). Net zoals je elk punt in de driedimensionale ruimte kunt beschrijven in termen van drie eigenvectoren (in x-, y- en z-richting), kun je ook proberen om gezichten uit te drukken in termen van een optelsom van eigenfaces. Bij de ene persoon is de ene basisvorm sterker aanwezig dan de andere, vandaar dat de som van eigenfaces een gewogen som moet zijn, die verschillende gewichten toekent aan verschillende basisvormen.

De eigenfaces kun je construeren uit een grote verzameling gedigitaliseerde gezichten. Omdat de afstand tussen de ogen onderling en die tussen de horizontale ooglijn en de mond van persoon tot persoon verschillen, worden alle gedigitaliseerde gezichten eerst als het ware in dezelfde mal geperst waarin deze afstanden kunstmatig gelijk worden getrokken. Dan vallen de ogen en monden in alle foto’s over elkaar heen. Vervolgens kun je met de wiskundige techniek van de principal component analyse de eigenfaces uit de database bepalen. Praktische toepassingen werken meestal met honderd tot tweehonderd eigenfaces. Vervolgens kun je elke digitale foto van een gezicht uitdrukken in een gewogen combinatie van eigenfaces.

Identificatie
Hoewel deze methode snel is, werkt hij niet goed onder verschillende aangezichten en verschillende belichtingen. Sinds de eerste toepassing van eigenfaces voor gezichtsherkenning in 1991 zijn daarom talloze verbeterde versies ontwikkeld. Maar aan de basis van veel commercieel verkrijgbare gezichtsherkenningssoftware staat vaak nog steeds de eigenface-methode.

Wil je nu weten of een willekeurig persoon in een database voorkomt (identificatie), dan moet je in een score uitdrukken in welke mate het gezicht van die persoon overeenkomt met foto’s in de database. Wil je weten of iemand de persoon is voor wie hij zich uitgeeft (verificatie), dan hoef je alleen maar een een-op-eenvergelijking te maken tussen de huidige gezichtsopname en die uit een database. De softwaregebruiker bepaalt zelf hoe hoog de score moet zijn om te gelden als identificatie of verificatie.

Hoe goed presteert deze gezichtsherkenningssoftware? Volgens het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology identificeert de beste software 0,1 procent van de gezichten ten onrechte, terwijl de software tussen 1,0 en 2,5 procent van de gezichten juist niet herkent terwijl ze wel in de database voorkomen. Maar deze percentages gelden alleen voor niet bewegende gezichten, die recht in de camera kijken, goed belicht zijn en een neutrale gezichtsuitdrukking hebben.

Volautomatische realtime gezichtsherkenning van bewegende personen in de publieke ruimte is daar nog ver van vandaan. Vooralsnog dient intelligent cameratoezicht daarom vooral als een handige aanvulling op cameratoezicht door mensen. Het grote voordeel is dat de software niet in aandacht verslapt en de mens wel.

Dit artikel heb ik oorspronkelijk geschreven voor het boek Omringd door informatica. Ik heb aan de populair-wetenschappelijke website Kennislink toestemming gegeven om het over te nemen, vandaar dat ik het ook op mijn eigen site heb gezet.

Tuesday, May 11, 2010

De geschiedenis van de laser

Uitvinder Theodore Maiman bij de allereerste laser in 1960.
Credit: Hughes Research Laboratories

In het zojuist verschenen nummer van technologietijdschrift De Ingenieur staat een uitgebreid artikel van mijn hand over de toekomst van de laser. Aanstaande zaterdag verschijnt in NRC Handelsblad ook nog een artikel van mij over de laser. En dat alles ter gelegenheid van de vijftigste verjaardag van de laser, aanstaande zondag, 16 mei.

Ter voorbereiding op deze artikelen heb ik een zorgvuldig en zeer uitgebreid overzicht samengesteld van de geschiedenis van de laser en zijn toepassingen.

Je kunt dit overzicht hieronder bekijken, of als PDF.

Drie perioden:


1. De pre-maser-periode (1916-1953)
2. De maser-periode (1953-1960)
3. De laser-periode (vanaf de uitvinding van de laser in 1960)

1916

De Duitse fysicus Albert Einstein suggereert de theoretische mogelijkheid van gestimuleerde emissie van licht, de natuurkundige essentie van laserlicht. In die tijd denkt men dat het effect in de praktijk te klein is om het waar te nemen.

1928

De Duitse fysicus Rudolf Walther Ladenburg observeert voor het eerst op een indirecte manier gestimuleerde emissie. Niemand ziet er een praktische toepassing in.

1935

Uitvinding van de radar: coherente elektromagnetische golven in het radiospectrum

1951

De Amerikaan Charles Townes ontwikkelt de eerste ideeën om gestimuleerde emissie op te wekken met microgolfstraling. Nobelprijswinnaar Rabi en de latere Nobelprijswinnaar Kusch beweren dat het onmogelijk is een maser te bouwen en vragen Townes te stoppen met zijn maser-onderzoek. Maar Townes gaat door.

1953

Charles Townes demonstreert samen met zijn promovendus Jim Gordon de eerste ‘maser’ bij de Columbia University in New York. ‘Maser’ staat voor: microwave amplification by the stimulated emission of radiation. Het is eigenlijk een laser bij microgolfstraling. De maser kent maar weinig toepassingen: versterking van zwakke microgolven en toepassing in atoomklokken.

1954

De Russen Nikolaj Basov en Aleksandr Prokhorov publiceren de eerste theoretische analyse van de werking van een maser.

1956

De Nederlander Nicolaas Bloembergen bedenkt aan de Harvard University een drietraps-maser, veel praktischer dan de eerdere tweetraps-maserontwerpen. Bloembergen stort zich niet in de race om de laser, omdat hij denkt dat hij het met een relatief bescheiden budget aan de Harvard Universiteit toch niet kan winnen van de veel vermogender bedrijfslaboratoria als Bell en IBM. (In 1958 wordt Bloembergen genaturaliseerd tot Amerikaan.)

14 september 1957

Charles Townes schrijft in zijn notitieboek ideeën over een “Maser at optical frequencies”, een maser voor zichtbaar licht, door Townes consequent ‘optische maser’ genoemd (maar later werd ‘laser’ de gangbare naam).

25 & 28 oktober 1957

Charles Townes en Gordon Gould, beiden verbonden aan Columbia University − de eerste als hoogleraar en de tweede als promovendus − praten over de mogelijkheid om het maserprincipe uit te breiden naar zichtbaar licht, maar gaan hierna ieder hun eigen weg.

13 november 1957

Gordon Gould heeft zijn ideeën uitgewerkt op negen pagina’s van zijn notitieboek onder de titel: “Some rough calculations on the feasibility of a laser: light amplification by stimulated emission of radiation”. De eerste zes pagina’s gaan over de werking van de laser, de laatste drie over toepassingen ervan. Als eerste gebruikt hij de term ‘laser’. Gould voorziet ook als eerste een breed spectrum aan toepassingen, vooral gebaseerd op het feit dat je veel energie op een kleine oppervlakte kunt produceren. Hij laat zijn lasernotities op 13 november officieel registreren door een notaris, maar dient geen patentaanvraag in omdat hij − onterecht − denkt dat hij ook een werkend exemplaar moet kunnen laten zien.

Gould publiceert zijn ideeën niet in een wetenschappelijk tijdschrift, in tegenstelling tot Charles Townes iets later. Tussen Goulds ideeën en het maken van een werkende laser, ligt echter nog een groot gat. Onduidelijk is vooral welke materialen als lasermedium werken.
Gould zoekt naar een omgeving buiten Columbia University waar hij een laser kan bouwen en komt terecht bij het bedrijf TRG. Hier wordt het voorstel van Gould de basis van een classified (geheim) militair contract dat TRG veel onderzoeksgeld oplevert. Defensie is vooral geïnteresseerd in hoge-vermogenlasers die vijandelijke doelen uit de lucht kunnen schieten.

Vanaf maart 1958 treedt Gould in dienst van TRG en stopt hij met zijn promotieonderzoek. Omdat het laseronderzoek in dienst van defensie wordt uitgevoerd, moeten alle medewerkers officieel een bewijs van goed gedrag hebben (security clearance). Vanwege Goulds vermeende communistische sympathieën – zijn ex-vrouw had sterke communistische ideeën – krijgt hij dit niet en wordt tot zijn grote frustratie door TRG op een zijspoor gezet.

februari 1958

Arthur Schawlow en Charles Townes bedenken onafhankelijk van Gould dezelfde configuratie van een buis met twee parallelle spiegels als lichtversterker, een essentiële component van een laser. Een van de spiegels is geheel reflecterend, de ander deels reflecterend (een open resonator). Townes gelooft later niet dat Gould onafhankelijk van hem op hetzelfde idee is gekomen en verdenkt Gould ervan op een heimelijke manier aan zijn ideeën te zijn gekomen. Gould op zijn beurt wantrouwt Townes.

13 juli 1958

Arthur Schawlow en Charles Townes dienen een patentaanvraag in voor “Masers and Maser communications system”. Ze krijgen het patent op 22 maart 1960.

15 december 1958

Arthur Schawlow en Charles Townes publiceren een baanbrekend wetenschappelijk artikel in Physical Review Letters: “Infrared and Optical Masers”. In tegenstelling tot Gould, zien Schawlow en Townes de laser vooral als een wetenschappelijk instrument voor het bedrijven van spectroscopie. Dit artikel stimuleert diverse onderzoeksgroepen tot de ontwikkeling van de eerste laser. Columbia University, Bell Labs, Westinghouse Electric, IBM, United Aircraft, American Optical en diverse andere Amerikaanse bedrijven storten zich op de bouw van de eerste laser. Maar net als Gould weten ook Schawlow en Townes nog niet welke materialen als lasermedium kunnen dienen.

6 april 1959

Gordon Gould dient zijn eerste patentaanvraag in, maar hij krijgt het patent niet. Het patent gaat op 22 maart 1960 naar Bell Labs (Schawlow en Townes). Gould vecht de beslissing aan en dit leidt tot een bijna dertigjarige patentenoorlog waarin Gould uiteindelijk aan het langste eind trekt.

Juli 1959

Bij een conferentie in Ann Arbor introduceert Gould voor het eerst publiekelijk zijn term ‘laser’. Dit tot ongenoegen van Schawlow en Townes, die over een ‘optische maser’ blijven spreken.

14-16 september 1959

Onder leiding van Charles Townes wordt de conferentie “Quantum Electronics-Resonance Phenomena” georganiseerd in Shawanga Lodge, Catskills (VS). Alle belangrijke wetenschappers die aan de eerste laser werken komen hier bijeen: Townes, Schawlow, Gould, Maiman, en vele andere Amerikaanse en internationale onderzoekers. Zelfs de Russen Basov en Prokhorov nemen deel. Vele deelnemers beschouwen deze conferentie als een keerpunt in de race naar de eerste laser. Aan de andere kant is inmiddels ook wel duidelijk dat het niet gemakkelijk is een werkende laser te bouwen. Ruim een jaar na het baanbrekende Physical Review-artikel van Schawlow en Townes heeft nog niemand serieuze vooruitgang geboekt op weg naar een werkende laser. Nog steeds ontbreekt het aan het materiaal met de juiste eigenschappen.

16 mei 1960

Theodore Maiman bouwt bij het bescheiden Hughes Research Laboratories de eerste werkende laser op basis van robijn als lasermedium (een vaste-stoflaser). De laser zendt rood licht uit bij een golflengte van 694 nanometer. Maiman heeft een eenvoudiger en robuuster laserontwerp dan alle anderen gekozen. Zo bouwt hij een gepulste laser in plaats van een continue laser, waar alle anderen aan werkten.

Pikant is dat gevestigde wetenschappers als Arthur Schawlow hadden voorspeld dat een laser gebaseerd op robijn niet kon werken, en dat het management van Hughes Research Laboratories precies daarom niets had gezien in Maimans gecalculeerde risico om toch te proberen een robijnlaser te bouwen. Maiman trok echter zijn eigen plan en ontdekte dat robijn wel degelijk een lasermedium kon zijn.

Irnee D’Haenens, Maimans assistent, noemt de laser “a solution looking for a problem”, omdat de toepassingen van de laser nog onduidelijk zijn.

mei/juni 1960

Binnen enkele weken reproduceren andere natuurkundigen een werkende robijnlaser op basis van Maimans experimentele opstelling. Het machtige Bell Labs heeft moeite te erkennen dat Maiman de eerste laser bouwde, en claimt zelf de eerste laser te hebben gebouwd.

24 juni 1960

Physical Review Letters weigert Maimans wetenschappelijke artikel over de allereerste laser, een van de grootste blunders uit de geschiedenis van dit prestigieuze tijdschrift. Hoofdredacteur Samuel Goudsmit vindt dat er veel te veel artikelen over masers zijn verschenen die te weinig nieuws bieden. Hij ziet de laser – door Maiman in navolging van Townes ‘optische maser’ genoemd – als niets anders dan een speciaal soort maser, waarvan de werking al uitgebreid is beschreven, en niet als iets fundamenteel nieuws.

november 1960

De twee IBM-fysici Peter Sorokin en Mirek Stevenson bouwen een tweede type vaste-stoflaser: een viertraps-laser gebaseerd op calciumfluoridekristallen gedopeerd met uranium.

13 december 1960

Ali Javan, William Bennett en Donald Herriott bouwen bij Bell Labs de eerste gaslaser, gebaseerd op een mengsel van helium met een klein beetje neon. Deze laser produceert infrarood licht en het is de eerste laser die een continue straal produceert, precies zoals Gould, Schawlow en Townes de laser hadden bedacht. Het is ook de eerste laser die de laserwerking opwekt met elektriciteit in plaats van met licht. Helium-neon-lasers worden de eerste lasers met brede commerciële toepassingen.

1961

Eerste toepassingen van de laser in de oogheelkunde. Bij het Columbia-Presbyterian Hospital in de VS wordt een netvliestumor met een laser kapotgeschoten. De laser ontwikkelt zich hierna als medisch precisie-instrument voor behandeling, reparatie en correctie van hoornvlies, netvlies, vaatvlies en lens. Hiervoor wordt meestal infrarood licht van een koolstofdioxidelaser gebruikt.

1962

Robert Hall bouwt bij General Electric Research and Development Center de eerstehalfgeleider-laser (later toegepast in onder andere cd-spelers, laserpointers, supermarktscanners).

1963

Emmett Leith en Juris Upatnieks maken aan de University of Michigan met lasers het eerste driedimensionale hologram.

1964

William B. Bridges ontwikkelt bij het Hughes Research Laboratories de eerste edelgas-ion lasers (argon, krypton, xenon). Tegenwoordig gebruikt bij laserlichtshows en in DNA-sequencers.

1964

Charles Townes wint samen met de Russen Nikolaj Basov en Aleksandr Prokhorov de Nobelprijs voor bijdragen aan de ontwikkeling van zowel de maser als de laser. Vooral Theodore Maiman, en in mindere mate Gordon Gould, voelen zich gepasseerd.

1964

In de James Bond-film 'Goldfinger' snijdt Goldfinger met een rode laser een tafel met daarop vastgebonden James Bond doormidden, totdat Bond net op tijd voldoende informatie geeft om de laser te doen stoppen en zijn leven te redden.

1969

Laser-afstandsmeting: een laser-radar meet de afstand tussen de aarde en de maan. Begin jaren zeventig wordt de laserafstandsmeting verder ontwikkeld tot LIDAR: Light Detection And Ranging.

1970

Uitvinding van continue halfgeleiderlasers bij kamertemperatuur (onafhankelijk van elkaar ontdekt bij het Ioffe Instituut in Sint Petersburg en bij Bell Labs). Het levert de Rus Zhores Alferov en de Amerikaan Herbert Kroemer de Nobelprijs in 2000.

1970

Ontwikkeling van de eerste optische glasvezels voor datacommunicatie met laserlicht (van halfgeleiderlasers die infrarood licht produceren). Glasvezel wordt de basis van wereldwijde telecommunicatie.

Begin jaren zeventig

De eerste laserlichtshows verschijnen bij concerten.

1974

De eerste laserscanners in de supermarkt (rode helium-neon-lasers).

1976

De eerste commercieel verkrijgbare laserprinters.

1977

Gordon Gould ontvangt de eerste van een serie van vier laserpatenten: op het optisch pompen van de laser.

1978

Gordon Gould ontvangt zijn tweede patent: dit keer op een groot aantal toepassingen.

1979

De eerste speelgoed lasergun.

1980

De eerste audio cd-speler, gebruik makend van infraroodlasers.

1981

Arthur Schawlow en de tot Amerikaan genaturaliseerde Nederlander Nicolaas Bloembergen delen de Nobelprijs voor hun bijdragen aan de laserspectroscopie.

1981

Uitvinding van lasergeleide wapens voor het Amerikaanse leger.

1983

De Amerikaanse president Ronald Reagan lanceert zijn Strategic Defense Initiative, gebaseerd op laserwapens. Het initiatief komt niet van de grond. Bovendien laten experimenten zien dat de atmosfeer krachtige laserstralen te zeer verstoort om een doel precies te kunnen raken.

1984

De eerste lasergames, gebaseerd op speelgoedwapens voorzien van een infraroodlaser.

1985

Uitvinding van de laserkoeling bij Bell Labs, onder leiding van Steven Chu, de huidige minister van Energie in de regering van Barack Obama. Met laserkoeling kunnen atomen tot dicht bij het absolute nulpunt worden afgekoeld. Chu wint er samen met Claude Cohen-Tannoudji en William D. Phillips in 1997 de Nobelprijs voor.

1987

Snelste camera ter wereld. Ahmed Zewail demonstreert hoe je met een supersnel gepulste (femtoseconde)laser atomen en moleculen tijdens een chemische reactie kunt volgen. Hij ontvangt er in 1999 de Nobelprijs voor.

1987

Eerste ooglasering (LASIK) ter verbetering van het gezichtsvermogen, een correctie die bril of contactlenzen overbodig maakt (met ultraviolette laserpulsen).

1987

Gordon Gould ontvangt zijn derde laserpatent, op gasontladingslasers.

1988

Gordon Gould ontvangt zijn vierde en laatste patent (op Brewsterhoek-raampjes in lasers). De vier patenten samen leveren hem miljoenen dollars aan royalty's op. Toch beslaan ze slechts een deel van zijn oorspronkelijke ideeën.

1988

De eerste trans-Atlantische glasfiber voor telefoonverkeer.

1995

Eerste Bose-Einsteincondensaat wordt gemaakt, een nieuwe materietoestand bij een temperatuur van 170 nanokelvin, waarvoor de ontdekkers in 2001 de Nobelprijs winnen. Het condensaat wordt gemaakt met laserkoeling.

1996

De eerste DVD-spelers verschijnen in Japan. Gebruik van een 640 nanometer-rode laser tegenover 780 nanometer bij audio.

1996

Eerste toepassing van laserontharing.

2000

Het principe van de laser-satellietlancering wordt aangetoond. Een tien-kilowatt gepulste laser schiet een lichtgewicht toestel van slechts vijftig gram tot een hoogte van 71 meter. Om een microsatelliet van een kilogram in een lage baan rond de aarde te brengen, is echter een laser met een vermogen van een megawatt nodig.

2003

De eerste Blu-ray-spelers als opvolger van de DVD-speler. Blu-ray gebruikt een 405 nanometer blauw-violette laser.

2005

Theodor Hänsch en John Hall winnen de Nobelprijs voor hun bijdragen aan de lasergebaseerde precisiespectroscopie.

2009

Charles Kao wint de Nobelprijs voor zijn bijdragen aan de optische glasvezelcommunicatie met laserlicht.

2009

De National Ignition Facility in de VS voltooit de bouw van ‘s wereld krachtigste laser: een opstelling zo groot als drie voetbalvelden produceert 192 laserbundels, met als ultieme doel het opwekken van laserfusie (kernfusie). Uiteindelijke doel: 1,8 megajoule aan energie. In 2010 halen ze al 669 kilojoule.

2010

De laser wordt vijftig!

------------------------------

Ten slotte enkele geplande grote laserprojecten in de komende tien jaar:

2014

Geplande start van de Europese röntgenlaser XFEL in Hamburg voor het in beeld brengen van virussen, moleculaire processen in cellen en chemische reacties.

2015

De Amerikaanse laserinterferometer “Advanced LIGO” gaat met lasers op zoek naar zwaartekrachtgolven.

2015

Introductie van de eerste holografische 3D-TV

2020

Geplande lancering van LISA, een laserinterferometer bestaande uit drie satellieten die met laserbundels voor het eerst zwaartekrachtgolven wil detecteren.

2020

Geplande bouw van het Europese laserfusie-experiment Hiper (High Power Laser Energy Research)

Bronnen:
Beam, Jeff Hecht
Laser, Nick Taylor
Laser, Encyclopaedia Brittannica, Jeff Hecht
Eigen research en interviews




Saturday, May 8, 2010

Wanordelijke stapeling van viervlakken vult ruimtes beter op dan bollen

Credit: Alex Jaoshvili, NYU

Dit artikel is gepubliceerd in NRC Handelsblad, 8 mei 2010

De efficiëntste stapeling van bolvormige voorwerpen vult de ruimte voor 74%. Stapel je de bollen niet netjes op elkaar, maar gooi je ze willekeurig in een container, dan vullen ze de ruimte nog maar voor maximaal 64%. Willekeurig gestapelde M&M’s halen 68%, zo bleek bij een experiment in 2004. In een soortgelijk experiment hebben natuurkundigen van New York University en Virginia Tech nu experimenteel aangetoond dat willekeurig gestapelde viervlakken (piramidevormig) de ruimte verrassenderwijs twee procent beter vullen dan zelfs de efficiëntste bolstapeling: 76% (Physical Review Letters, 3 mei).

De Amerikaanse onderzoekers maakten duizend identieke viervlakken (tetraëders), met licht afgeronde hoekjes. Ze gooiden deze willekeurig in containers van diverse groottes. Onder af en toe schudden voegden ze viervlakken toe tot ze op waren. De vulgraad bepaalden ze door te meten hoeveel vloeistof ze aan een met viervlakken gevulde container konden toevoegen. De vloeistof gaat immers alle lege ruimte tussen de viervlakken opvullen. Bovendien maakten ze MRI-scans om op elk punt in de container te kunnen kijken hoe de viervlakken op en tegen elkaar aan liggen en om de rangschikking tot in detail te analyseren. Ze bepaalden de maximale vulgraad van grote containers, waarin de wandeffecten minimaal zijn, op (76 ± 2)%.

Hoe eenvoudig het vulgraadprobleem ook lijkt, tot twee jaar geleden was niet eens bekend of willekeurig gestapelde viervlakken de ruimte efficiënter vullen dan bollen. In de afgelopen twee jaar hadden numerieke simulaties wel al laten zien dat willekeurig gestapelde viervlakken in theorie de ruimte voor 78% moesten kunnen vullen. Voor het eerst is dit nu ook experimenteel aangetoond.

Ingekleurde MRI-scan, Credit: Alex Jaoshvili, NYU

Het vulgraadprobleem van vaste voorwerpen is een oud probleem waarvan nog verrassend veel onbekend is. In 1611 had Johannes Kepler het vermoeden uitgesproken dat de bolstapeling die zo min mogelijk lege ruimte tussen de bollen overlaat, de ruimte voor π/√18 vult (ongeveer 74%). Het zou echter tot 1998 duren eer Thomas Hales het vermoeden van Kepler wiskundig bewees. Hij had er een computerprogramma van meer dan veertigduizend regels voor nodig.

Toch weet nog steeds niemand wat de efficiëntste manier is om niet-bolvormige deeltjes, die de ruimte niet al van zichzelf geheel opvullen (zoals kubussen), te stapelen. Kan het nog efficiënter dan met de piramidevormige viervlakjes van de Amerikanen?