Een team van wetenschappers heeft een quantumversie gebouwd van een radarinstallatie en daarmee zelfs een object waar kunnen nemen – zij het op erg korte afstand.

Er lijken weinig dingen te zijn die zich verder van je bed af bevinden dan deeltjes die een mysterieuze, quantummechanische band met elkaar hebben. Toch krijgt dit verschijnsel, verstrengeling genaamd, steeds meer praktische toepassingen. Het nieuwste voorbeeld: een radar die werkt met verstrengelde elektromagnetische golven. En die presteert in sommige gevallen zelfs beter dan een gewone radar.

Bij kamertemperatuur

Bijzonder aan deze toepassing is dat het gaat om radiogolven. Bij sensoren die werken dankzij de quantummechanica is het namelijk gebruikelijker en praktischer om zichtbaar licht in te zetten. Ga je aan de slag met radiostraling, wat veel langere golflengtes heeft, dan is er veel minder technologie beschikbaar, schrijven de Oostenrijkse natuurkundige Johannes Fink en collega’s in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances. Bovendien werkt de technologie die er wél is vaak alleen bij extreem lage temperaturen.

Radar maakt echter al meer dan een eeuw lang gebruik van radiostraling om objecten op afstand te detecteren. Fink en zijn team zijn er nu in geslaagd om ook bij dát trucje de quantumwereld in te schakelen – en bovendien bij kamertemperatuur.

Gekke band

In de basis werkt de quantumradar als volgt. Eerst wekken de onderzoekers twee radiogolven op die met elkaar verstrengeld zijn. Dat wil zeggen dat de twee een gekke band met elkaar hebben: als je bijvoorbeeld aan de ene golf een meting doet, heeft dat ogenblikkelijk gevolgen voor de andere, waar die zich op dat moment ook bevindt. Vervolgens wordt een van beide golven met een antenne op weg gestuurd om een object te detecteren, net als bij een klassieke radarinstallatie. De andere golf houden de onderzoekers achter.

Een tweede antenne pikt vervolgens allerlei straling op, waar de eerder uitgezonden radiostraling wel of niet tussen zit; wel als hij ergens tegen is weerkaatst, niet als hij gewoon rechtdoor kon gaan. Om te achterhalen met welke van die twee mogelijkheden de onderzoekers te maken hebben, combineren ze de opgepikte straling met de achtergehouden radiogolf. Die achtergehouden golf is immers verstrengeld met de uitgezonden golf, en die quantummechanische band verraadt zichzelf als je de twee weer bij elkaar brengt.

Quantumradar
Quantumradar maakt gebruik van twee verstrengelde radiogolven: eentje die ‘thuis blijft’ (blauw) en eentje die wordt uitgezonden en weer opgevangen (rood). Vervolgens worden beide golven gecombineerd. Illustratie: IST Austria/Philip Krantz

Kwetsbare toestand

Je zou misschien zeggen: waar is die ‘thuisblijvende’ golf überhaupt voor nodig? Kan de radiogolf die wordt uitgezonden de klus niet alleen klaren, zoals bij een gewone radarinstallatie? Niet altijd, zo blijkt. ‘Theoretici hebben ontdekt dat als je heel weinig radiostraling uitzendt en er heel veel ruis is, quantumradar beter werkt dan klassieke radar’, mailt Fink. ‘In die situatie is de terugkerende golf in principe niet meer te onderscheiden van alle storende straling die je voor de rest hebt in ruimte op kamertemperatuur.’ Als je een radiogolf hebt achtergehouden die is verstrengeld met de uitgezonden golf, kun je die laatste wél nog terugvinden in de ruis.

Nu is verstrengeling een nogal kwetsbare toestand. Je kunt daardoor niet zomaar een radiogolf een eind door de lucht sturen en verwachten dat ie verstrengeld blijft met een radiogolf die thuis blijft. Dat gebeurde tijdens de experimenten van Fink dan ook niet: de échte verstrengeling tussen de twee golven ging verloren. Toch was er nog wel iets over van de onderlinge quantumband – genoeg om een ‘quantumdetectie’ van een object mogelijk te maken.

Gevoelige materialen

Zoals gezegd functioneert de quantumradar alleen beter dan ‘ouderwetse’ radar als het gaat om kleine hoeveelheden uitgezonden radiostraling. In de meeste gevallen zou het dus geen zin hebben om deze technologie in te zetten. ‘Maar je zou er wel detectoren mee kunnen bouwen die werken met een zó laag vermogen dat iets of iemand die wordt gescand daar niets van merkt’, mailt Fink. ‘Zo’n detector zou je bijvoorbeeld kunnen gebruiken om gevoelige materialen te scannen.’ Een toepassing die de onderzoekers in hun artikel noemen, is een medische scanner die het weefsel niet beschadigt.

Een andere grote beperking is de afstand. De onderzoekers detecteerden namelijk geen vliegtuig op kilometers hoogte of iets dergelijks. Bij het experiment van Fink zat er welgeteld één meter tussen de radarinstallatie en het te detecteren voorwerp. Als het principe achter de quantumradar al ooit in een echt apparaat belandt, is dat dan ook met name te gebruiken op korte afstanden – bijvoorbeeld in zelfrijdende auto’s.

Rekenwerk achteraf

‘Ik vind het heel mooi werk dat goed laat zien dat quantumtechnologie brede impact kan hebben’, zegt natuurkundige Menno Veldhorst van het Delftse QuTech over het onderzoek. ‘Wel moeten er nog veel stappen gezet worden voordat deze technologie in de praktijk beter functioneert dan de klassieke variant. Maar de onderzoekers opperen al goede ideeën voor vervolgonderzoek.’

Fink noemt als een van de belangrijkste beperkingen dat er flink wat rekenwerk achteraf nodig is om de twee radiogolven te combineren. ‘Dat is prima voor een natuurkunde-experiment als het onze, dat in het lab moet laten zien dat een quantumradar onder bepaalde omstandigheden beter werkt dan een gewone radar. Maar voor een daadwerkelijke toepassing is dat niet handig.’

LEESTIP: In Het quantumtijdperk vertelt Brian Clegg welke quantumverschijnselen een grote rol spelen in de wereld van nu. Bestel dit ebook in onze webshop.