Vier natuurkundigen uit Leiden en Delft spraken op een mini-symposium van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) over kwantumverstrengeling. Vanuit Leiden namen Carlo Beenakker en Dirk Bouwmeester het woord en namens de TU Delft maakten Ronald Hanson en Stephanie Wehner hun opwachting. Samen legden ze uit dat er een ‘spookachtige’ verstrengeling bestaat tussen elementaire deeltjes, en hoe we daar nuttig gebruik van kunnen maken.
Schrödingers kat
Het beroemde gedachtenexperiment van Erwin Schrödinger laat zien hoe bizar de wetten van de kwantummechanica zijn, zo leidt Beenakker het symposium in. 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. Want pas wanneer we gaan kijken waar een deeltje is, dwingen we het als het ware een plek te kiezen. Alsof de muziek stopt tijdens een stoelendans. Deze onzekerheid geldt behalve voor de positie van deeltjes ook voor bijvoorbeeld hun spin, polarisatie en verval. 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 het macroscopische gedachtenexperiment zien we nog 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 de wereldpers haalde door onomstotelijk te bewijzen dat verstrengeling wel degelijk bestaat. Hanson legt zijn zogenaamde Bell-test uit op de KNAW als een spelletje dat Alice en Bob spelen. Er zijn twee vragen mogelijk—‘Welk glas wijn wil je?’ en ‘Welke fles wijn wil je?’—en twee antwoorden—‘rode wijn’ en ‘witte wijn’. Als ze beiden om een fles worden gevraagd, verdienen ze een punt als ze hetzelfde antwoord geven. In alle andere gevallen moeten ze juist een verschillend antwoord geven. Wiskundigen weten dat de best denkbare afgesproken strategie zal leiden tot niet meer dan 75% score. Hanson liet twee verstrengelde deeltjes een vergelijkbaar 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, maar dit klopt dus niet. ‘Twee piepkleine deeltjes verslaan zo de krachtigste supercomputers,’ zegt Hanson. ‘Daarin zie je de kracht van kwantum.’
Encryptie
Een andere kracht van kwantumverstrengeling zit in de mogelijkheid tot onkraakbare encryptie, waarover Dirk Bouwmeester uitweidt met veel formules. Die zijn, hoe vervelend ook, onmisbaar als het gaat over kwantummechanica, hetgeen Beenakker beaamt: ‘In mijn colleges heb ik het niet over interpretaties, maar gebruik ik formules. Dat is de moderne manier van kijken.’ Uiteindelijk blijft wiskunde de enige taal waarin de theorie echt te beschrijven is. Dit stuit soms op onbegrip, zoals Bouwmeester merkte toen hij in Londen werkte. ‘We werkten aan kwantumencryptie toen er drie mannen van de geheime dienst MI5 langskwamen, in lange zwarte jassen. Ik legde uit dat het echt perfect veilig is. Zij antwoordden bijna tegelijkertijd: “dat is aan ons om te bepalen”.’
Teleportatie
Misschien wel de meest tot de verbeelding sprekende belofte van kwantumverstrengeling is teleportatie, waar Stephanie Wehner over spreekt. In theorie zou je een lichaam in nul seconden naar Australië kunnen teleporteren; een soort modern faxen. 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 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.
