Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Spookachtige kwantumverstrengeling houdt grote belofte in

De natuurkundigen Carlo Beenakker en Dirk Bouwmeester spraken over kwantumverstrengeling op een mini-symposium van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW). Zij legden uit dat er een ‘spookachtige’ verstrengeling bestaat tussen elementaire deeltjes, en hoe we daar nuttig gebruik van kunnen maken.

Schrödingers kat

Carlo Beenakker laat zien hoe bizar de wetten van de kwantummechanica zijn met het beroemde gedachtenexperiment van Erwin Schrödinger. Elementaire deeltjes bevinden zich nooit op één plaats. Ze bezetten meerdere plekken tegelijk, volgens een kansverdeling die de waarschijnlijkheid aanwijst waar het deeltje zich meldt op het moment dat we ernaar kijken. Pas wanneer we gaan kijken waar een deeltje is, dwingen we het als het ware een plek te kiezen. Het werkt bijna als een stoelendans, wanneer de muziek stopt moet er een plek gekozen worden. Deze onzekerheid geldt behalve voor de positie van deeltjes ook voor hun toestandseigenschappen, zoals spin en polarisatie. Schrödinger stopte in gedachten zijn kat in een doos, samen met een mechanisme dat een potje gif wel of niet kapot slaat afhankelijk van de toestand van één atoom. Zolang hij niet in de doos kijkt, blijft de deeltjestoestand dubbelzinnig en is de kat dus zowel levend als dood!

Verstrengeling

Het lot van Schrödingers kat is op een absurde manier verbonden aan de toestand van een deeltje. In dit voorbeeld zien we een logisch verband tussen gif en dood, maar we kunnen ook twee elementaire lichtdeeltjes met elkaar verbinden zodat de ene toestand afhankelijk is van de andere. Als je dan bij het ene foton een verticale polarisatie meet, is het andere automatisch horizontaal gepolariseerd. Wetenschappers noemen dit verstrengeling. Of in de cynische woorden van Albert Einstein: ‘een spookachtige werking op afstand’. Het vreemde is namelijk dat het lot van het tweede foton instantaan wordt bepaald door meting aan het eerste foton. Dan zou informatie dus sneller reizen dan het licht!

Einsteins ongelijk

Zijn historische opmerking kwam Einstein vorig jaar duur te staan toen Ronald Hanson van de TU Delft de wereldpers haalde door onomstotelijk te bewijzen dat verstrengeling wel degelijk bestaat. Hanson legt zijn zogenaamde Bell-test uit als een gokspelletje waarbij twee deelnemers met de best mogelijke strategie 75% score kunnen halen. Nu liet hij twee verstrengelde deeltjes het spel spelen en die bleken een wonderbaarlijke score te halen van meer dan 75%. Einstein vermoedde dat deeltjestoestanden toch op een onzichtbare manier zijn voorbestemd. Uit de Bell-test blijkt dit onjuist te zijn. ‘Twee piepkleine deeltjes verslaan zo de krachtigste supercomputers,’ zegt Hanson. ‘Daarin zie je de kracht van kwantum.’

Teleportatie

De kracht van kwantumverstrengeling blijkt ook uit onkraakbare encryptie en teleportatie. In theorie zou je een lichaam in nul seconden naar Australië kunnen teleporteren. De materie reist dan niet zelf, maar de informatie over de deeltjestoestanden wordt gekopieërd op andere materie. Of het bewustzijn dan mee wordt gefaxt blijft nog een filosofisch vraagstuk. Toch heeft de kwantummechanica volgens Carlo Beenakker de stap gemaakt van een filosofisch probleem in de vorige eeuw naar een technologisch probleem in deze eeuw. We staan op de drempel van een tijdperk van kwantumtechnologie.