Het lijkt verrassend veel op de eerste foto van een zwart gat, maar dit plaatje heeft niets te maken met sterke zwaartekracht. Het is de eerste foto van verstrengelde quantumdeeltjes. Met een slim experiment hebben onderzoekers van de Universiteit van Glasgow dit gekke gedrag op de gevoelige plaat vastgelegd.

Albert Einstein noemde het misprijzend ‘spookachtig gedrag op afstand’ en geloofde niet dat het echt bestond. Toch werd in 2015 quantumverstrengeling tussen twee deeltjes gemeten met een experiment in Delft. En nu is er zelfs een kiekje van.

Op jacht naar geluk
LEES OOK
Op jacht naar geluk
Quantumverstrengelde fotonen die door verschillende faseveranderingen zijn gegaan. Bron: Moreau et al.

Bijzondere verbintenis

Verstrengeling is een fundamentele eigenschap van quantumdeeltjes. Bij dit verschijnsel raken twee deeltjes zo verbonden dat ze fysieke eigenschappen delen. Als je meet dat het ene quantumdeeltje rechtsom tolt, dan weet je bijvoorbeeld dat vanaf exact dat moment de verstrengelde partner de andere kant op draait.

Die verbintenis blijft bestaan, ongeacht hoe ver de deeltjes zich bij elkaar vandaan bevinden. Dat betekent dat beide deeltjes altijd informatie over elkaar bevatten, bijvoorbeeld over elkaars draairichting. Zelfs als ze kilometers of lichtjaren bij elkaar vandaan zijn en die informatie verandert. Dit verschijnsel is in de jaren zestig beschreven door de Ierse fysicus John Bell.

Einstein vond dat raar. Volgens zijn theorieën kan niets sneller dan het licht, dus kunnen deeltjes op afstand ook niet onmiddellijk informatie uitwisselen.

Maar Einstein kreeg ongelijk. De Delftse fysicus Ronald Hanson toonde aan dat twee deeltjes die 1,3 kilometer uit elkaar geplaatst zijn de bijzondere verbintenis behouden. Zonder vertraging delen ze hun eigenschappen.

Verstrengelde fotonen

De onderzoekers in Glasgow gebruikten voor hun experiment paren van verstrengelde fotonen (lichtdeeltjes). Die stuurden ze eerst door een ‘bundelsplitser’: een apparaat dat het ene foton rechtdoor laat gaan en zijn verstrengelde partner linksaf laat slaan. Vervolgens gingen de fotonparen door vloeibaar kristal.

Dit materiaal, dat ook gebruikt wordt voor lcd-schermen, verandert de fase van de fotonen. Door die faseverandering verschuiven de toppen en dalen van de lichtgolven. Dat zorgt ervoor dat zodra de fotonen weer samenkomen, de golven van de twee fotonen elkaar op sommige plekken uitdoven en op andere plekken versterken. Zo ontstaan er lichtbogen op de foto. Een camera legt dat interferentiepatroon vast.

De gebruikte camera is gevoelig genoeg om individuele fotonen vast te leggen. Het apparaat is zodanig afgesteld dat het alleen een foto neemt als zowel een foton als zijn verstrengelde partner gedetecteerd worden. Zo maakt de camera een visuele weergave van een paar verstrengelde fotonen.

‘Het is een spannend resultaat dat we kunnen gebruiken om het opkomende gebied van quantum computing te bevorderen en dat tot nieuwe vormen van beeldvorming kan leiden’, zegt een van de auteurs, Paul-Antoine Moreau van de universiteit van Glasgow.

De quantumtechnologie maakt dankbaar gebruik van de bijzondere eigenschappen van deeltjes. Zonder verstrengeling zouden quantumcomputers en veilige quantumnetwerken niet mogelijk zijn.