2018 – Rapport Frank Verstraete

Plechtige uitreiking van de Francqui-Prijs door Zijne Majesteit Koning Filip
in het Paleis der Academiën op 12 juni 2018

Loopbaan – Onderzoek – Jury verslag – Toespraken

Frank Verstraete

Loopbaan

Frank Verstraete is geboren in 1972 en groeit op als zoon van dokter Gaspar en Beatrice Verstraete in Ingelmunster. Als kind experimenteert hij al heel snel met de zwaartekracht in een zelfgemaakte boomhut. Hij volgt een klassieke Grieks-Latijnse opleiding aan de Abdijschool van Zevenkerken, en leert er dat voor een groot deel van onze geschiedenis filosofie het ultieme platform was om je creativiteit op los te laten. Het werd Frank al snel duidelijk dat het vandaag de exacte wetenschappen zijn die deze rol vervullen.

Hij kiest voor studies burgerlijk ingenieur aan de KU Leuven en na een geestverruimend verblijf in India, vindt hij zijn echte passie in de theoretische natuurkunde aan de Universiteit Gent.

In Gent introduceert Prof. Henri Verschelde hem in het nieuwe onderzoeksdomein van quantum computing, hij start een doktoraat in Leuven onder begeleiding van Prof. Bart De Moor, en bouwt in zijn proefschrift de fundamenten voor de beschrijving van veeldeeltjesverstrengeling. Hij krijgt er de volledige vrijheid om zijn interesses te volgen, organiseert onderzoeksverblijven in Bell Labs en Caltech, en vindt zijn niche in het gebied van ‘quantum entanglement’ of verstrengeling.

In 2002 start Frank Verstraete zijn eerste postdoc aan het Max-Planck-Institut für Quantenoptik te München, waar hij een vruchtbare en nog steeds lopende samenwerking met Prof. Ignacio Cirac begint. In een serie van baanbrekende papers ontwikkelen ze een nieuwe manier om het kwantum veeldeeltjesproblemen te beschrijven en te simuleren aan de hand van de taal van verstrengeling, “Quantum Tensor Networks” genaamd.

In 2004 trekt hij naar Caltech, het mekka van de theoretische fysica in California, en ontwikkelt er verder het concept van tensor networks. Hij ligt ook aan de basis van een hele resem nieuwe projecten en samenwerkingen die op de scheidingslijn liggen tussen veeldeeltjesfysica en kwantum informatietheorie, tegenwoordig een “hot topic” in alle takken van de theoretische fysica.

In 2006 krijgt Frank Verstraete tal van aanbiedingen als professor aan prestigieuze Amerikaanse universiteiten zoals MIT, maar beslist hij uiteindelijk om met zijn gezin terug te keren naar Europa. Hij wordt hoogleraar aan de Universiteit van Wenen, een wereldwijd vermaard centrum voor fundamenteel onderzoek naar de kwantumfysica. In samenwerking met PhD-studenten en postdocs bouwt hij het onderzoek naar tensor networks uit tot een volwassen onderzoeksgebied, met een brede waaier aan toepassingen binnen andere onderzoeksvelden. Hij blijft ook verder werken op het gebied van quantum computing, en publiceert een reeks artikels in toonaangevende tijdschriften zoals Nature en Physical Review over het feit dat kwantumcomputers perfect geschikt zijn om de mysteries van het kwantum veeldeeltjesprobleem te ontrafelen.

Na een sabbatjaar bij Renaissance Technologies en Stony Brook V.S. krijgt Frank Verstraete een prestigieuze Odysseusbeurs aangeboden om een onderzoeksgroep uit te bouwen aan de Universiteit Gent. Samen met zijn postdocs en studenten maakt hij Gent tot hét centrum voor onderzoek naar de theoretische aspecten van quantum tensor netwerken.

Frank Verstraete is gehuwd met Katrien De Blauwe, en samen hebben ze drie fantastische kinderen: Ludovic (°2000), Amaryllis (°2001) en Rosemarie (°2003).

* * *

Onderzoek

Het onderzoek van fysicus Frank Verstraete behoort tot de kwantummechanica, een onderzoekstak van de fundamentele wetenschappen die de kleinste deeltjes zoals atomen en elektronen bestudeert. In het begin van de twintigste eeuw werd de natuurkunde volledig op zijn kop gezet, toen bleek dat voor deze minuscule deeltjes de klassieke natuurwetten niet opgaan. Lang verworven concepten van de fysica moesten overboord en maakten hierbij plaats voor de kwantummechanica. De essentie van de kwantummechanica is het bestaan van een “kleinste schaal” gegeven door de constante van Planck, die vastlegt hoe precies positie en snelheid van een deeltje bepaald en gedefinieerd kunnen worden. Positie en snelheid werden plots geen exact kenbare grootheden meer, deeltjes werden golven en vice-versa, en een volledig nieuwe microscopische wereld openbaarde zich. Een wereld waarin een deeltje zowel hier als daar kon zijn, een wereld waarin je zowel dood als levend kon zijn. Dit noemt men het superpositiebeginsel.

De aanvang van de PhD van Frank Verstraete viel samen met de dageraad van een tweede kwantumrevolutie. Het werd experimenteel mogelijk individuele kwantumsystemen te controleren en manipuleren, iets waar de grondleggers van de kwantummechanica zoals Heisenberg en Schrödinger nooit van hadden durven dromen. Een centrale vraag werd onmiddellijk: is het mogelijk om de wonderbaarlijke eigenschappen van die kwantummechanische systemen te gebruiken om een nieuw soort computer te bouwen, een machine waarin het superpositiebeginsel toelaat exponentieel veel verschillende paden te doorlopen en zo problemen op te lossen die onoplosbaar zijn met de krachtigste supercomputers?

Er werd een nieuwe taal ontwikkeld om de fysica van kwantum computing te beschrijven, in termen van zogenaamde qubits en verstrengelde Einstein-Podolsky-Rosen deeltjesparen. Voor deze paren zijn de eigenschappen van de individuele deeltjes volledig onbepaald, alle informatie zit vervat in hun correlaties. Deze verstrengeling (entanglement) vormt het hart van de kwantummechanica en zorgt ervoor dat kwantumsystemen zich fundamenteel anders gedragen dan klassieke systemen. In de woorden van Schrödinger: “entanglement makes the whole more than the total of its parts”. Het onderzoek van Frank Verstraete spitst zich precies toe op de studie van entanglement. In zijn proefschrift bouwde hij de fundamenten voor de beschrijving van veel-deeltjes verstrengeling, een essentieel ingredient van de kracht van kwantumcomputers.

Al snel bleek de beschrijving van veeldeeltjes verstrengeling een cornucopia te zijn die een volledig nieuwe kijk geeft op een groot aantal centrale open problemen in de theoretische fysica. Niettegenstaande het feit dat de wetten van de kwantummechica al lang gekend zijn, blijft het grote mysterie in de theoretische fysica hoe kwantum veeldeeltjesproblemen kunnen beschreven en gesimuleerd worden: het collectieve gedrag van veel deeltjes kan niet voorspeld worden uit de microscopische wetten zonder nieuwe begrippen in te voeren. Dit collectieve gedrag is verantwoordelijk voor fantastische fysische verschijnselen zoals fasetranstities, supergeleiding, de stabiliteit van de materie, en het bestaan van anyonen.

Tijdens zijn eerste postdoc aan het Max Planck Institut fur Quantenoptik van 2002-2004 in Munchen startte hij een heel vruchtbare en nog lopende samenwerking met Prof. Ignacio Cirac. In een serie van baanbrekende papers ontwikkelen ze een originele manier om kwantum veeldeeltjesproblemen te beschrijven en te simuleren aan de hand van de taal van verstrengeling. Ze ontwikkelden het formalisme van quantum tensor networks, waarmee kwantumtoestanden gekarakteriseerd worden aan de hand van een eenvoudige tensor. In die nieuwe beschrijving staat niet langer de golffunctie centraal, maar wel de correlatie en verstrengeling van alle vrijheidsgraden. Deze tensor vormt een orde parameter voor het veeldeeltjessysteem, en zijn symmetrieën bepalen de onderliggende eigenschappen van de materie. De building blocks van de materie worden qubits en verstrengelde paren.

In samenwerking met vele collega’s, PhD-studenten en postdocs bouwde Frank Verstraete het onderzoek naar tensor netwerken uit tot een volwassen onderzoeksgebied, met een brede waaier van toepassingen in de atoomfysica, materiaalkunde en kwantumveldentheorie. Dit vormde de start voor theoretisch onderzoek op de interface tussen veeldeeltjesfysica en quantum informatie theorie, een onderwerp dat tegenwoordig, onder met motto “it from qubit”, een enorme hot topic is in diverse gebieden gaande van quantum chemie tot en met string theorie. Verder bouwend op deze ideeën publiceerde hij een reeks artikels over het feit dat de killer app van quantum computing het simuleren zal worden van sterk gecorreleerde quantumsystemen. Transistors en lasers zijn ontwikkeld geworden door inzichten van de kwantummechanica en zijn direct verantwoordelijk voor ca. 40% van de wereldeconomie; de mogelijkheid om chemische reacties en grondtoestandsconfiguraties van sterk gecorreleerde kwantumsystemen te simuleren belooft een even grote impact te hebben.

Het huidig onderzoek van Frank Verstraete heeft vele raakvlakken met verschillende takken in de fysica en wiskunde. Samen met zijn collega’s in Gent, met name Jutho Haegeman, Karel Van Acoleyen en Laurens Vanderstraeten, beoogt hij het canon van de theoretische fysica te herschrijven in een nieuwe taal van kwantumverstrengeling en tensor netwerken. Gesproken taal heeft geleid tot onverwachte creaties zoals poezie en filosofie. Op dezelfde manier opent de universele taal van tensor netwerken een venster tot nieuwe fantastische fenomenen in de wondere wereld van de kwantummechanica, met krachtige toepassingen zoals hoge temperatuur supergeleiding en kwantumcomputing.

* * *
Jury verslag (16 april 2018)

The Francqui Prize 2018 is awarded to Frank Verstraete for developing a self-consistent theoretical framework, based on tensor networks, which has elucidated the quantum states of matter. The framework is powerful and general enough to apply to many areas in quantum physics, including high-temperature superconductors, topological phases of matter, and engineered quantum many-body systems.

In deze jury zetelden :

David J. Gross is the Chancellor’s Chair professor of theoretical physics and former director of the Kavli Institute for Theoretical Physics, UCSB. Gross was awarded the 2004 Nobel Prize in Physics for the discovery of asymptotic freedom that led to the formulation of Quantum Chromodynamics, the theory of the strong nuclear force. He has also made seminal contributions to the theory of Superstrings. He holds honorary degrees from institutions, and is a member of scientific academies, worldwide. He is President-Elect of the American Physical Society.

Voorzitter

Stephen Boyd is the Samsung Professor of Engineering at Stanford University. He is the Chair of the Department of Electrical Engineering, and has courtesy appointments in the department of Computer Science, and the department of Management Science and Engineering. His research focus is on convex optimization applications in control, signal processing, machine learning, finance, and circuit design.

Tim de Zeeuw is professor of theoretical astronomy at Leiden University. His research focuses on the formation, structure and dynamics of galaxies including our own Milky Way. He received the 2001 Prix Descartes-Huygens and the 2010 Brouwer Award, holds honorary doctorates from the Universities of Lyon, Chicago and Padova, and was Director General of the European Southern Observatory from 2007-2017.

David Donoho is Anne T. and Robert M. Bass Professor in the Humanities and Sciences at Stanford University. He is a foreign associate of the Academie des Sciences of France and a member of the US National Academy of Sciences.He received the 2013 Shaw Prize in Mathematical Sciences.

Adrian Ionescu is a Professor and Director of the Nanoelectronic Devices Laboratory at Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Switzerland. His group pioneered and developed new electronic technologies and device concepts in the field of low power beyond CMOS. He is the recipient of the IBM Faculty Award 2013 and of the André Blondel Medal 2009 of the Society of Electrical and Electronics Engineering, Paris, France. He is an IEEE Fellow and a member of the Swiss Academy of Technical Sciences (SATW). In 2016 he was awarded an Advanced European Research Council Grant to develop energy efficient millivolt transistors and sensors based on the integration of 2D and phase change materials on advanced CMOS platforms, for Internet-of-Things applications.

Daniel Müller received his Ph.D. in Biophysics from the Biozentrum Basel, Switzerland, in 1997 and continued his career as a group leader at the newly founded Max-Planck-Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden, Germany. In 2002 Daniel Müller accepted a full professorship of Cellular Machines at the Biotechnology Center of the University of Technology, Dresden, where he also acted as a director. In 2006 Müller co-funded one of the largest Bionanotechnology Spin-Offs in Germany, which manufactured the world’s first robot that fully automatically conducts single-molecule experiments and which was sold in 2008. In 2008 Daniel Müller in a team launched a new research center for Molecular Bioengineering (B CUBE, www.bcube-dresden.de) at the TU Dresden. In December 2010 Müller accepted the Chair of Bionanotechnology at the ETH Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE) in Basel. Together with Wolfgang Meier (Uni Basel) Daniel Müller in 2014 launched and co-directs the Swiss National Competence Center of Research (NCCR) Molecular Systems Engineering at Basel (www.nccr-mse.ch).

David Naccache (Ecole normale supérieure, Paris) is an expert in cryptology and information security. Before joining ENS he was a professor during 10 years at Université Panthéon-Assas Paris II. He authored more than 180 scientific papers in computer science and is the inventor or the co-inventor of more than 150 patent families. Before joining academia, Professor Naccache previously worked for 15 years for Gemplus (now Gemalto), Philips (now Oberthur) and Thomson (now Technicolor). He studied at UP13 (BSc), UP6 (MSc), IMAC (Eng), TPT (PhD), UP7 (HDR) and IHEDN. He am a forensic expert by several courts, and the incumbant of the Law and IT forensics chair at EOGN. His current research areas are code security, forensics, the automated and the manual detection of vulnerabilities.

Ulrich Pöschl is director of the Multiphase Chemistry Department at the Max Planck Institute for Chemistry and professor at the Johannes Gutenberg University in Mainz, Germany. He has studied chemistry at the Technical University of Graz and he has worked as a postdoctoral fellow, research scientist, group leader, and university lecturer at the Massachusetts Institute of Technology and the Technical University of Munich. His current scientific research and teaching are focused on the effects of multiphase processes in the Earth system, climate, life & public health (http://scholar.google.com/citations?user=czxG87cAAAAJ&hl=en).

Spencer Sherwin, FREng is the Head of the Aerodynamics Section in the Department of Aeronautics at Imperial College London. Over the past 20 years he has specialised in the analysis, development and application of advanced parallel methods for flow around complex geometries as distributed in the open source, spectral/hp element package Nektar++ (www.nektar.info). His group (www.sherwinlab.info) has works on a range of problems with a particular emphasis on vortical and bluff body flows, biomedical modelling of the cardiovascular system and more recently in industrial practice through partnerships with McLaren Racing and Rolls Royce.

Nicola Spaldin is the Professor of Materials Theory at ETH Zurich. She developed the class of materials known as multiferroics, which combine simultaneous ferromagnetism and ferroelectricity, for which she received the 2017 L’Oréal-UNESCO For Women in Science award. She is a passionate science educator, director of her department’s study program, and holder of the ETH Golden Owl Award for excellence in teaching. When not trying to make a room-temperature superconductor, she can be found playing her clarinet, or skiing or climbing in the Alps.

Peter Zoller is Professor at the University of Innsbruck and research director at the Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) of the Austria Academy of Sciences. He works on quantum optics and quantum information and is best known for his pioneering research on quantum computing and quantum communication and for bridging quantum optics and solid state physics. As a theoretician, Zoller has written major works on the interaction of laser light and atoms. His ideas and concepts attract plenty of interest within the scientific community and his works are highly cited. Peter Zoller has received numerous awards for his achievements including the Wolf Prize, Benjamin Franklin Medal and the Max Planck Medal.

Leden

David Charbonneau is a Professor of Astronomy and Harvard College Professor at Harvard University. His research focuses on the discovery and characterization of planets orbiting other stars, with the ultimate goal of identifying inhabited worlds. He was the first to observe a planet eclipse its parent star; this method, known as transits, is the means by which most planets outside the solar system have been identified. He also developed the first methods which astronomers use to study the atmospheres of these distant worlds. He currently directs the MEarth Project, which aims to find the first habitable exoplanet that can be searched for the chemical signatures of life, and Opportunity M, an interdisciplinary collaboration that develops the tools with which to undertake that characterization. He was a member of the NASA Kepler Mission, and the upcoming NASA TESS Mission, scheduled for launch on April 16th, 2018. Dr. Charbonneau completed his PhD at Harvard in 2001, then was a Millikan Postdoctoral Fellow at Caltech. He has received numerous awards for his research accomplishments, including the Waterman Award (the NSF’s top prize for a scientist under the age of 35), the NASA Medal for Exceptional Scientific Achievement, the Raymond and Beverly Sacker Prize in the Physical Sciences, and he was named Scientist of the Year by Discovery Magazine. In 2017 he was elected to the US National Academy of Sciences and the American Academy of Arts and Sciences.

Consultant

* * *

Toespraak van Graaf Herman Van Rompuy,
Voorzitter van de Francqui-Stiching

Je vous souhaite la bienvenue à cette séance académique en l’honneur du lauréat du Prix Francqui pour l’année 2018, Frank Verstraete, professeur à l’université de Gand. Le lauréat a fait une déclaration étonnante en apprenant que ce prix tellement prestigieux lui était décerné. Il a dit: ‘Je ne suis pas sûr de savoir pourquoi le jury a choisi de me récompenser’. Eh bien, cher professeur, le jury sous la conduite du prix Nobel en sciences physiques 2004, David Gross le savait. D’ailleurs dans la presse les titres ne mentent pas : ‘Verstraete à l’origine de recherches révolutionnaires’, ‘un chercheur de classe mondiale’. Le jury a dit textuellement : la description de l’intrication des particules s’est révélée être une corne d’abondance permettant un regard totalement neuf sur un grand nombre de problèmes centraux qui préoccupent la physique’. Le jury a donc fait un choix excellent dans tous les sens du mot. Je remercie d’ailleurs chaleureusement les membres du jury international pour leur travail et leur choix. N’étant moi-même pas un scientique du tout, j’essaierai d’expliquer les motifs du jury, repris par notre Conseil d’Administration.
Frank Verstraete legde zich toe op het nieuwe domein van Quantum computing and in het bijzonder de veeldeeltjesverstrengeling (quantum entanglement); d.w.z dat de “quantum state” van een deeltje niet kan beschouwd worden als onafhankelijk van de andere deeltjes in het systeem, zelfs al zijn ze ver verwijderd van mekaar. Alle informatie zit in de correlaties tussen deze deeltjes. Positie en snelheid zijn ook geen kenbare grootheden meer. Deeltjes worden golven en vice-versa! Dus in het oneindig kleine gelden de alledaagse wetten van de mechanica niet meer; een totaal andere logica dringt zich op: die van de quantum mechanica. Eenzelfde deeltje kan op tweeof meerdere plaatsen tegelijk aanwezig zijn. De boeiende vraag is of die vreemde eigenschappen niet gebruikt kunnen worden om bijv. nieuwe en snellere computers te bouwen. Vraag een klassiek deeltje om zijn uitweg te vinden te midden van een labyrinth. Het zal al de mogelijkheden uittesten de één na de andere. Zet een quantum deeltje te midden van het labyrinth; gezien het op veel verschillende plaatsen kan zijn, zal het alle wegen simultaan uittesten en zal het dus veel sneller de weg naar de uitgang vinden. Terwijl de klassieke computer alles uitdrukt in bits van 0’s en 1’s, drukt de quantum computer alles uit in “qubits”, afkorting voor “quantum bit”, dat is een superpositie van 0’s en 1’s.

Hoe kan het veeldeeltjesprobleem beschreven en gesimuleerd worden ? Namelijk aan de hand van de verstrengeling (“entanglement”). Frank Verstraete bouwde reeds in zijn proefschrift de fundamenten voor de beschrijving van de veel-deeltjes verstrengeling, een essentieel ingrediënt in de kracht van quantum computers. Dit heeft hij verder ontwikkeld aan het “California Institute of Technology”, zowat het Mekka van de theoretische fysica, en aan het befaamde “Max Planck Instituut voor Quantenoptik”. Na prestigieuze aanbiedingen zoals van MIT, keerde hij terug naar Europa in 2006 als hoogleraar aan de Universiteit van Wenen, een wereldcentrum in de informatie-theorie, waar hij het formalisme van “quantum tensor networks” ontwikkelde, waar correlatie en verstrengeling centraal staan. Zijn onderzoek zal ongetwijfeld leiden tot de ontwikkeling van exotische materialen, en tot het maken van nieuwe quantum materialen met interessante eigenschappen.
In 2012 bracht een Odysseus grant van de Vlaamse Gemeenschap hem terug naar Gent als hoogleraar. A brain came back. Het omgekeerde van de brain drain.

Je viens de dire que la science exacte est loin de ma vie quotidienne. Cependant la philosophie et la poésie me sont plus familiers. Je me permets donc de rapprocher ces deux mondes en citant Blaise Pascal (17ème siècle), qui était un grand scientifique et un grand écrivain.

Meme si par rapport à l’univers l’homme n’est qu’un atome, il est loin de l’infiniment petit. Comme point de depart de son raisonnement Blaise Pascal utilise un ciron, l’aracnide, (meelmijten; spinachtigen) le plus petit visible à l’oeil nu. Sa conception de l’infiniment grand- le cosmos – et de l’infiniment petit -concept très familier à notre lauréat – est présentée à travers une référence, une échelle: l’homme.

‘Qu’un ciron offre à l’homme dans la petitesse de son corps des parties incomparablement plus petites, des jambes avec des jointures, des veines dans ces jambes, du sang dans ces veines, des humeurs dans ce sang, des gouttes dans ces humeurs, des vapeurs dans ces gouttes; que, divisant encore ces dernières choses, il épuise ses forces en ces conceptions; l’homme pensera peut-être que c’est là, l’extrême petitesse de la nature. Je veux lui faire voir là dedans un abîme nouveau. Je lui veux peindre non seulement l’univers visible, mais l’immensité qu’on peut concevoir de la nature, dans l’enceinte de ce raccourci d’atome. Qu’il y voie une infinité d’univers, dont chacun a son firmament, ses planètes, sa terre, en la même proportion que le monde visible; qu’il se perde dans ses merveilles, aussi étonnantes dans leur petitesse que les autres par leur étendue; car qui n’admirera que notre corps, qui tantôt n’était pas perceptible dans l’univers, imperceptible lui-même dans le sein du tout, soit à présent un colosse, un monde, ou plutôt un tout, à l’égard du néant où l’on ne peut arriver ?’
Car enfin qu’est-ce que l’homme dans la nature ? Un néant à l’égard de l’infini, un tout à l’égard du néant, un milieu entre rien et tout.’

Professor Verstraete u hebt recentelijk gezegd: ’Met wiskunde zoek ik een verklaring voor de schoonheid van de wereld’. Verstraete-Pascal: même combat.

We zijn allen op zoek naar waarheid, goedheid en schoonheid. Het is ons aller humanisme die zich trouwens onder velerlei vormen uit. Die zoektocht zal nooit een einde kennen. Het is de kern van onze cultuur.

Fundamenteel onderzoek heeft niet altijd nut op de korte termijn maar de wereld van vandaag staat op de schouders van fundamenteel onderzoek van gisteren en van eergisteren. Maar ook al zou dat fundamenteel onderzoek geen enkel nut hebben, toch heeft het zin. Ce qui est inutile selon les normes de notre monde, peut avoir un sens. Terecht hebt u gezegd: ‘Fundamenteel onderzoek is een vorm van cultuur, een uiting van hoe ver we gevorderd zijn als mensheid en ik vind het een ongelooflijk luxe en eer dat de maatschappij mij steunt in die zoektocht.’ Le Prix Francqui vous soutient dans cette quête.

Maar mag ik van deze tribune misbruik maken om even nog dieper in te gaan op de verhouding tussen wetenschap en maatschappij. Nous vivons une période non seulement avec un soif de savoir jamais vu dans l’histoire de l’humanité mais nous vivons aussi un temps plein d’instabilité et d’angoisse sociétale et existentielle. Le grand columniste du New York Times David Brooks a posé récemment une question qui me hante. Il parle des Etats-Unis mais ces propos valent aussi pour les pays européens. Je lui laisse parler:
‘We replaced a system based on birth with a fairer system based on talent. We opened up the universities and the workplace to Jews, women and minorities. University attendance surged, creating the most educated generation in history.
You’d think all this would have made the U.S. the best governed nation in history. Instead, inequality rose. Faith in institutions plummeted. Social trust declined. The federal government became dysfunctional and society bitterly divided…. What happened? How has so much amazing talent produced such poor results? ….We need to build a meritocracy that is true to its values, truly open to all… The essential point is this: Those in the old establishment had something we meritocrats lack — a civic consciousness, a sense that we live life embedded in community and nation, that we owe a debt to community and nation and that the essence of the admirable life is community before self.’ Nous devons être au service d’une cause qui nous dépasse, qui dépasse notre intérêt particulier. Ce dévouement nous empêche à tomber dans le piège du tribalisme et du repli sur soi-même. De wereld gebruikt zijn eigen kennis slecht. Kennis op zich is geen waarborg op een meer harmonische samenleving. Er is meer nodig. We zouden meer de nederigheid van de echte wetenschapper moeten hebben die weet hoe afhankelijk hij is van de natuur rondom hem en hoe weinig hij nog maar weet zelfs al heeft hij zoals u ,professor, dingen begrepen die niemand voor u begrepen heeft en die de schoonheid daarvan geproefd heeft.
Nos écoles et nos universités devraient se poser la question que ce journaliste a soulevé: cela touche au coeur du projet d’enseignement et d’éducation. Si on rate l’enjeu sociétal, on a échoué. Un monde qui se ferme est à terme un monde qui ne réfléchit plus d’une façon indépendante et sans préjugés, qui perd ce goût pour la science et l’innovation. A closed mind leads to a closed world. Donc, d’une certaine manière la vérité, la bonté et la beauté se rejoignent. Ils font partie de l’éternel humain.

Wij moeten steeds trachten meer te weten in een wereld die steeds beter moet worden, menselijker. De ware vooruitgang ligt in die unieke combinatie. Wij zijn deel van een groter geheel. Profesor Verstraete: de quantum fysica is ook van toepassing op de mens. Ik herhaal wat ik zei toen ik zopas uw werk beschreef: ‘een deeltje kan niet beschouwd worden als onafhankelijk van de andere deeltjes in het systeem, zelfs al zijn ze ver verwijderd van mekaar’. Zo is het ook met onze maatschappelijke wereld. Zo is de cirkel rond.

* * *

Toespraak van Professeur Frank Verstraete

Sire,

Het is een buitengewone eer om vandaag de Francqui prijs te ontvangen uit handen van Uwe Majesteit. Met uw aanwezigheid laat U aan alle wetenschappers in Belgie zien dat fundamenteel wetenschappelijk onderzoek U en de Koninklijke Familie nauw aan het hart ligt en dat U dat ook daadwerkelijk steunt en apprecieert.

Excellenties, Excellences, zeer geachte Dames en Heren, Mes Dames, Messieurs,

In oktober 1927 vormde Brussel het epicentrum van de moderne fysica. Door de visie van Ernest Solvay waren al de beroemdste quantum fysici ter wereld naar hotel Metropole gekomen om er de problemen van de juist ontdekte quantum mechanica te bespreken. Bijna 100 jaar later is het een enorme eer om de Francqui prijs hier in de Akademie der Wetenschappen in Brussel te ontvangen voor mijn werk op het gebied van quantum mechanica. Ook nog bijna honderd jaar na Solvay blijft het kwantum probleem wetenschappers fascineren en verwonderen, en is het nog altijd mogelijk om nieuwe elementaire en fundamentele inzichten te verkrijgen in de grandiose kathedraal van de quantum mechanica.

Ma présence ici me comble de joie et de fierté , mais je me sens très humble, quand je me vois entouré de mes collègues et mentors, qui méritent ce prix aussi bien que moi! Je me sens modeste aussi quand je passe en revue les lauréats précédents dans le domaine de la “Physique “– Mgr. Georges Lemaître , Léon Rosenfeld, Ilya Prigogine, Léon Van Hove, Radu Balescu, François Englert, Amand Lucas, Marc Henneaux et Pierre Gaspard – physiciens, qui ont, chacun d’eux, découvert des notions extraordinaires dans la structure de la matière et de notre univers.

De indruk die mij het meest overweldigt als ik hier voor U sta op dit podium is dat ik in mijn leven enorm veel geluk heb gehad en enorm bevoorecht ben geweest.

Bevoorrecht dat ik prachtige ouders heb die me een fantastische opvoeding gegeven hebben, en de best mogelijke zus die me altijd gesteund heeft in mijn veelal onbevattelijke projecten.

Geluk dat ik mocht opgroeien in Belgie, een land waar het heerlijk leven is en waar inhoud het meestal wint van schijn en uiterlijk vertoon.

Geluk dat ik vrienden heb met wie ik de schoonheid van deze wereld en van de muziek ontdekt heb.

Geluk dat ik een fantastisch gezin heb met drie formidabele kinderen Ludovic, Amaryllis en Rosemarie – kinderen die zonder twijfel het mooiste en meest inspirerende geschenk zijn waarvan men kan dromen.

Bevoorrecht dat ik mijn humaniora mocht doen aan de Abdijschool van Zevenkerken, waar ik via de Griekse en Romeinse teksten leerde dat er als mens niets mooier en edeler is dan te zoeken naar de essentie en bouwstenen van ons bestaan. Ook het feit dat het enige punt waarop we significant geévoolueerd zijn ten opzichte van de oude Grieken de exacte wetenschapppen zijn.

Bevoorrecht dat ik mocht studeren in Gent en Leuven, twee universiteiten die je alle mogelijkheden geven om te durven denken en je te ontwikkelen tot een kritische homo sapiens. Geen enkel ander land ter wereld heeft absolute top-universiteiten waar iedereen kan studeren, wat onze jeugd toelaat om zich te concentreren op hun werkelijke passies in plaats van hun cv’s.

Geluk met mijn PhD promotoren Prof. Bart De Moor en Prof. Henri Verschelde – Bart omdat hij we de mogelijkheid gaf om mijn eigen interesses te volgen, en Henri om met mij zijn enorm diepe inzichten in de fysica te delen en me de juiste weg te tonen.

Bevoorrecht dat ik aan de Universiteiten Gent en Wenen fundamenteel onderzoek kan doen – ik heb het altijd een onvoorstelbare luxe gevonden de mogelijkheid te krijgen om zonder verplichtingen mijn eigen weg te volgen. Quel privilège de pouvoir étudier toute sa vie!

Et surtout j’ai eu le bonheur d’avoir des collègues, des postdocs et des doctorants superbes, qui m’ont soutenu pleinement . L’ élément le plus essentiel et indispensable dans le domaine de la recherche scientifique est la discussion avec des compagnons de route : les découvertes se matérialisent en formulant les idées des collègues dans son propre univers de savoir et de connaissance, et il n’ya pas de sentiment plus intense que de découvrir le premier au monde un phénomène ou une notion nouvelle!

Il n’est certainement pas facile de présenter la physique quantique au grand public. Des déclarations d’icônes de la physique comme Einstein (“spukhafte Fernwirkung”) et Feynman (“I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics”) n’aident certainement pas à rendre la mécanique quantique tangible. La difficulté vient du fait que dans la mécanique quantique, on ne peut pas se raccrocher à des expériences personnelles comme une chute d’objets ou des balles qui rebondissent, mais qu’on doit laisser notre intuition se faire guider par la mathématique, le language de la nature.

En effet, la mécanique quantique contient beaucoup d’éléments qui ne font pas partie du monde tel qu’on le connaît. L’élément le plus difficile à appréhender est probablement le principe de superposition, immortalisé par Schrödinger par le paradoxe du chat qui est à la fois vivant et mort. Ce n’est donc pas étonnant que dans la popularisation de la mécanique quantique on attire surtout l’attention sur ces aspects occultes et transcendants. En tant que scientifique, cela ne me plaît guère: la mécanique quantique est un formalisme mathématique clairement décrit avec lequel on peut faire des prévisions précises, le seul miracle étant le fait qu’en tant qu’être humain on ait réussi à découvrir cette construction magnifique.

Zoals Schrodinger, die precies 80 jaar geleden professor was aan de Universiteit Gent, het zei, “The great revelation of the quantum theory was that features of discreteness were discovered in the Book of Nature, in a context in which anything other than continuity seemed to be absurd according to the views held until then”. De kwantummechanica heeft aangetoond dat er een kleinste schaal is, dat het verdelen van materie en ruimte-tijd in telkens kleinere componenten niet oneindig verder kan gaan maar dat we op een zeker moment botsen op een fundamentele limiet, weergegeven door de iconische Heisenberg onzekerheidsrelatie. Het tweede revolutionaire element in de quantummechanica is de ononderscheidbaarheid van elementaire deeltjes – de daaruit voortkomende statistiek is verantwoordelijk voor de sterkste kracht in de natuur, het Pauli uitsluitingsbeginsel, en verklaart de stabiliteit van alle materie en de wereld.

Geen enkele wetenschappelijke theorie is meer succesvol geweest in het maken van voorspellingen en oplossen van eeuwenoude vraagstukken: het verklaren van de periodieke tabel van Mendeliev, van de bandstructuur van materialen, het bestaan van een anti-materie, het voorspellen van transistoren, lasers en heel recent het bestaan van topologische isolatoren. Het is ontzaglijk welk een invloed fundamenteel onderzoek in de kwantumfysica gehad heeft op onze hele wereld, zowel op vlak van technologie en economie. Ik vind het ook ontzaglijk hoe weinig mensen de schoonheid ervan ervaren en beleven; ik versta niet waarom zoveel mensen zich worstelen door het boek Oorlog en Vrede maar de moeite niet doen om een veel grootser kunstwerk als het boek der kwantummechanica aan te roeren.

Mijn eigen onderzoek kadert in het probleem van de kwantumfysica van vele deeltjes. Alhoewel de wetten en vergelijkingen van de kwantummechanica gekend zijn sinds 1926, is het centrale probleem van de theoretische kwantumfysica al reeds 90 jaar het feit dat deze vergelijkingen veel te veel variabelen hebben om ze te kunnen oplossen voor praktisch alle relevante problemen. De grote doorbraken in de theoretische fysica tijdens de laatste eeuw waren in essentie telkens wiskundige constructies waarmee deze Schrodinger vergelijking benaderend opgelost kunnen worden of waarmee de vergelijkingen op een nieuwe manier konden geinterpreteerd worden. Eerst kwamen Hartree-Fock, dan perturbatietheorie met Feynman diagrammen, pad-integralen en Monte Carlo, density functional theory, en tenslotte ook ingenieuze constructies waarmee fenomenen zoals het quantum Hall effect beschreven kunnen worden. Samen met mijn collega’s hebben wij een nieuwe manier gevonden om deze problemen systematisch aan te pakken: eerst en vooral verdelen we het systeem in een aantal elementaire blokken, en dan modelleren we de quantum correlaties tussen deze blokken in termen van kwantum tensor netwerken. Het nieuwe concept dat toeliet om deze constructie op te zetten is dat van kwantum verstrengeling of quantum entanglement.

Reeds tijdens de beginjaren van de kwantummechanica was het duidelijk geworden dat entanglement dé essentiele component is die de quantumfysica onderscheidt van de klassieke fysica. Schrodinger parafraseerde Aristoteles door te zeggen dat entanglement er voor zorgt dat “the sum is more than the total of its parts”. John Preskill, mijn advisor toen ik postdoc was in Caltech, stelde dit tastbaar voor door een quantumboek te vergelijken met een klassiek boek: indien je honderd mensen elk 1 pagina van een boek laat lezen, en dan breng je allen samen, dan kunnen ze het volledige verhaal herconstrueren. Voor een quantumboek ligt de situatie volledig anders: elkeen van de honderd lezers heeft na het lezen geen enkele bit van informatie kunnen vergaren, omdat alle informatie vervat zit in de quantumcorrelaties tussen de verschillende pagina’s. Quantuminformatie kan niet opgesplitst worden in kleinere stukken!

Het onderzoek naar entanglement kwam op de voorgrond op het einde van de 20^e eeuw, de dageraad van de tweede quantumrevolutie. Het werd toen mogelijk om experimenteel individuele quantumsystemen te controleren en manipuleren – iets wat de grondleggers van de quantummechanica zelfs nooit van hadden kunnen dromen. Een centrale vraag werd direct: is het mogelijk om de wonderbaarlijke eigenschappen van de quantummechanica te gebruiken om een nieuw soort computer te bouwen, een machine waarin het superpositiebeginsel toelaat exponentieel veel verschillende paden te doorlopen en zo problemen op te lossen die onoplosbaar zijn met de krachtigste supercomputers?

Er werd een nieuwe taal ontwikkeld om de fysica van quantum computing te beschrijven, in termen van qubits en Einstein-Podolsky-Rosen paren en entanglement. In mijn proefschrift bouwde ik de fundamenten voor de beschrijving van veel-deeltjes verstrengeling. Tijdens mijn postdoc aan het Max Planck Insitut fur Quantenoptik in Munchen had ik het immense voorrecht te kunnen werken met Prof. Ignacio Cirac, en het enorme geluk to be in the right place on the right time. En het werd ons snel duidelijk dat de beschrijving van veeldeeltjesverstengeling een cornucopia was die een volledig nieuwe kijk geeft op een groot aantal centrale open problemen in de veeldeeltjesfysica, waar het collectieve gedrag van veel deeltjes niet voorspeld kan worden uit de microscopische wetten zonder nieuwe begrippen in te voeren, en entanglement was precies zo’n missing link. Dit collectieve gedrag is verantwoordelijk voor fascinerende fysische verschijnselen zoals fasetranstities, supergeleiding, de stabiliteit van de materie, en het bestaan van anyonen.

We ontwikkelden het formalisme en de taal van quantum tensor networks, waarmee relevante toestanden in de exponentieel grote Hilbertruimte efficient kunnen gekarakteriseerd worden aan de hand van een lokale tensor. De essentie van deze nieuwe methode is het feit dat niet langer de golffunctie centraal staat, maar eerder een lokale beschrijving van hoe alle vrijheidsgraden met elkaar gecorreleerd en verstrengeld zijn. De building blocks van de materie worden qubits en verstrengelde paren. Deze tensor netwerken laten toe om de heel hoog dimensionale golffuncties efficient te beschrijven in een laag dimensionale schaduw-wereld. Net zoals in de grot van Plato kunnen we nu de volledige wereld herconstrueren vanuit deze schaduwen, maar in tegenstelling tot Plato blijkt de fysica van de schaduwen veel natuurlijker te zijn dan dit van de echte hoog-dimensionale wereld.

Eén van de wonderen van entanglement is dat het een centraal concept blijkt te zijn die erg diverse takken van de fysica met elkaar verbrindt. Dit is natuurlijke niet toevallig aangezien het veeldeeltjesprobleem zo prevalent is. Van quantum chemie en condensed matter tot string theory worden heden ten dage conferenties gehouden onder het motto “it from qubit”. Entanglement staat centraal voor het beschrijven van quantum fluctuaties, de entropie van zwarte gaten, de classificatie van topologische materialen, en het construeren van een quantum computer. Wie had ooit gedacht dat een esoterisch onderwerp als entanglement tot zo’n weelde van inzichten zou kunnen leiden? Het gebied van quantum informatie theorie en quantum entanglement is dan ook de perfecte ambassadeur voor small science, en een voorbeeld van hoe Belgie en zeker Vlaanderen meer moet focussen op curiosity driven science in plaats van op de big science projecten.

Bij deze bekroning van mijn werk voel ik me vol energie om grootse uitdagingen aan te gaan. Het winnen van de Francqui prijs is zeker geen doel als wetenschapper, maar voelt daarom des te meer aan als een prachtige onverwachte gift die aanmoedigt om onverschrokken en zonder schroom nieuwe paden in te slaan.

Ik houd er dan ook aan mijn decanen en de rectoren van mijn universiteiten, het Fonds voor Wetenschappelijk onderzoek en de European Research Counsil van harte te danken voor het toevertrouwen van een intellectuele vrijplaats van creativiteit en vernieuwing waar dit mogelijk was en zal blijven.

Je suis particulièrement reconnaissant à la famille Francqui et sa fondation, au compte Herman Van Rompuy qui a accepté de prononcer ce magnifique laudatio, ainsi qu’aux professeurs Kris Heyde et Luc Moens qui ont proposé mon dossier.

Oprechte dank gaat natuurlijk ook uit naar mijn collega’s en studenten voor het creeren van een enorm inspirerende en stimulerende wereld; hun vragen en kritiek zijn precies de ingredienten die me vooruitstuwen. Fysica doen is en blijft een enorme luxe, en is in essentie een onophoudbare viering van het wonderbare en mysterieuze in de natuur. Fundamentele wetenschap omhelst het onbekende. De schoonheid van de natuur en de wereld wordt alleen maar grootser door ze beter te verstaan en door het feit dat wetenschap toelaat volledig onverwacht nieuwe aspecten erin te ontdekken. Laat ik daarom eindigen met het volgende vers in onze derde landstaal uit Tristan en Isolde, die zowel toepasselijk is op hen die de quantumfysica begrijpen als op hen die ze niet begrijpen, en ook op hen die zich in een superpositie van beide verkeren: “Den unerforschlich tief geheimnisvollen Grund, wer macht der Welt ihn Kund?” (De onbestuurbare diepe geheimzinnige oorzaak van alles, wie zal het aan de wereld kenbaar maken?)

Sire, excellenties, mijnheer de voorzitter, dames en heren, ik dank U allen van harte. Je vous remercie de tout cœur.

* * *