Het is een mooie dag voor liefhebbers van quantumfysica in z’n meest zuivere vorm. Een nieuw experiment aan de TU Delft, uitgevoerd door de onderzoeksgroep van Ronald Hanson aan het QuTech-lab, heeft bewezen dat een van de meest contra-intuïtieve eigenschappen van de beroemde theorie echt is. 

De qubit die Ronald Hanson gebruikt bij zijn experimenten heeft een schaal van enkele tientallen micrometers.
De qubit die Ronald Hanson gebruikt bij zijn experimenten heeft een schaal van enkele tientallen micrometers. Bron: TU Delft

Hanson en collega’s deden dat door te bewijzen dat twee deeltjes die 1,3 kilometer uit elkaar zaten, elkaars eigenschappen deelden. Dat meldt Nature News deze ochtend op basis van een voorpublicatie van het resultaat op de wetenschappelijke voorpublicatiesite Arxiv.

Bizarre eigenschappen

De test die de onderzoekers deden, vormt een eerste stap richting teleportatie van quantuminformatie over grote afstanden. Bij dat soort teleportatie zijn twee bizarre eigenschappen van de quantumfysica van belang. De eerste daarvan is verstrengeling, het idee dat de eigenschappen van twee deeltjes onlosmakelijk met elkaar verbonden kunnen raken en vervolgens elkaar eigenschappen delen. Dat hangt echter samen met een tweede gekkigheid van de quantummechanica die bekendstaat onder de term ‘superpositie’, het bijzondere gegeven dat twee deeltjes tegelijk meerdere eigenschappen kunnen hebben die elkaar klassiek uitsluiten. Zo kunnen quantumdeeltjes rustig op twee plaatsen tegelijkertijd zijn en kunnen qubits, de quantumversies van de klassieke nullen en enen van digitale informatie, tegelijkertijd nul én één zijn.

Een fietshelm voor elke fietser?
LEES OOK
Een fietshelm voor elke fietser?

Die superpositie blijft gelden totdat je een deeltje meet – dan kiest het één van de opties, bijvoorbeeld een enkele positie of alleen de waarde nul of een. Wanneer twee quantumdeeltjes dan bovendien ook nog verstrengeld zijn, zorgt zo’n meting aan het ene deeltje ook direct voor een reactie in de ander. Meet je het ene deeltje als nul, dan is het andere daarna bijvoorbeeld ineens 1.

Teleporteren

Dat gegeven zorgt ervoor dat je een quantumtoestand kunt teleporteren, een term die bewust verwijst naar het verplaatsen van mensen van en naar planeten en ruimteschepen in de sciencefictionserie Star Trek. Bij quantumteleportatie verplaats je alleen geen mensen, maar informatie. Deze gaat daarbij direct – zonder dat er tijd voorbij gaat – van de ene plek naar de andere. Op die manier kun je informatie in theorie zelfs sneller verplaatsen dan het licht, een gegeven waar Einstein openbaar grote twijfels over uitte.

In 2014 lukte het Hanson en collega’s al om de informatie in een qubit over een afstand van 3 meter te teleporteren, destijds een wereldrecord. In plaats daarvan hebben zij quantuminformatie nu verstrengeld over 1,3 kilometer en metingen gedaan via kabels die onder het terrein van de TU Delft doorliepen. Dat is de belangrijkste eerste stap op weg naar echte quantumteleportatie.

Einsteins ongelijk

Leestip: In het nieuwe boek Het quantumtijdperk leest u alles over hoe quantumfysica het leven van alledag verandert.
Leestip: In het nieuwe boek Het quantumtijdperk leest u alles over hoe quantumfysica het leven van alledag verandert. Bestel dit boek in onze webshop.

Die sprong voorwaarts is niet alleen groot nieuws omdat het teleportatie over grote afstanden dichterbij brengt, iets dat tot nog toe technisch moeilijk te realiseren was. Veel belangrijker is dat het ervoor zorgt dat verstrengeling nu loophole free is. Dat wil zeggen: er is niet stiekem iets anders aan de hand, zoals Einstein dacht. Verstrengeling bestaat echt.

Over kortere afstanden speelt bijvoorbeeld de zogeheten communication loop hole onderzoekers nog parten wanneer zij hun resultaten willen interpreteren. Omdat metingen doen tijd kost, zou het meten van het ene deeltje soms best op de een of andere manier het resultaat van de andere meting kunnen beïnvloeden, zonder dat de lichtsnelheid wordt verbroken. Bij de afstand van 1,3 kilometer waar Hanson en collega’s dit onderzoek op deden, is daar echter geen sprake meer van. Alleen daadwerkelijke verstrengeling waarbij de twee deeltjes samen één geheel vormen, zelfs als ze een grote afstand uit elkaar zitten, lijkt nu nog een verklaring voor het gevonden resultaat te bieden.

Overigens vormen de resultaten van dit experiment ook een mooie stap vooruit naar een echt quantuminternet, een voor hackers onkraakbaar communicatiesysteem. In de toekomst zullen quantumcomputers op dat internet kunnen inloggen en zo hun quantuminformatie kunnen uitwisselen. De bij dit onderzoek betrokken qubits en verbindingen moeten in de toekomst de bouwblokken van zo’n quantuminternet worden.

Nobelprijs

Op dit moment wil Hanson zelf nog niet reageren op zijn resultaten, laat hij via de mail weten. De publicatie op Arxiv is een voorpublicatie die nog niet door vakcollega’s aan de standaard wetenschappelijke controle is onderworpen. Zodra zij hebben bevestigd dat het team van Hanson inderdaad heeft gevonden wat ze in hun voorpublicatie stellen, volgt een echte publicatie en mogen de onderzoekers hun resultaten ook verder toelichten.

Toch is het enthousiasme onder quantumfysici over dit eerste resultaat nu al groot. ‘Het zou mij niet verbazen als we de komende jaren een van de auteurs van dit artikel, samen met die van wat oudere experimenten zoals die van Aspect, terugzien bij de nominaties voor de Nobelprijzen’, zei quantumfysicus Matthew Leifer tegen Nature News. ‘Zo spannend is dit.’

Edit: per abuis werd in een vorige versie van dit bericht gemeld dat de onderzoekers al daadwerkelijk informatie over 1,3 kilometer hadden geteleporteerd. In plaats daarvan hebben zij een voorstadium van teleportatie bereikt, waarbij zij (zoals in de eerste versie ook al stond) bewezen dat de deeltjes verstrengeld waren.

Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief. 

Lees ook: