Einsteins ongelijk schept perspectieven kwantum-communicatie

Dat laatste was tot dusverre nooit echt proefondervindelijk aangetoond.

Ofschoon de quantumtheorie het wel voorspelde stuitte het idee dat het waarnemen van een object (met name het uitlezen van qubit) onmiddellijk gevolgen hebben voor een ander object, zelfs als dat zich aan de andere kant van de Melkweg bevindt, lange tijd op grote weerstand. Albert Einstein bijvoorbeeld weigerde zo'n ‘spookachtige invloed op afstand’ te accepteren. Samen met de fysici Podolsky en Rosen, stelde hij in een beroemd artikel, bekend als het ‘EPR’-paper, dat de kwantum-mechanica weliswaar aantoonbare verdiensten had, maar vanwege de vreemde voorspelling van verstrengeling geen complete theorie kón zijn.

Diamanten

Tachtig jaar later laat een team wetenschappers, onder leiding van Ronald Hanson van de TU Delft, zien dat Einstein daarin ongelijk had. Ze toonden aan dat verstrengelde elektronen in twee diamanten, door ruim een kilometer campus van elkaar gescheiden, echt een onmiddellijk verbinding kunnen hebben. Het experiment, waarover ze deze week in Nature publiceren, laat zien dat de “spookachtige invloed” echt bestaat.

“De kwantummechanica stelt dat een deeltje, zoals een elektron, zich in twee verschillende toestanden tegelijk kan bevinden. Het kan zelfs op twee verschillende plaatsen tegelijk zijn, zolang het niet wordt waargenomen. Dit fenomeen heet ‘superpositie’. Het gaat volledig tegen onze intuïtie in”, stelt Ronald Hanson. Zijn onderzoeksgroep werkt met ‘spin’, een miniem magnetisch effectje van het elektron, dat omhoog of omlaag kan wijzen. Het kan ook allebei tegelijk zijn, in superpositie. “Het wordt pas echt interessant als we twee elektronen ‘verstrengelen’, zodat ze samen een geheel vormen. Dan zijn ze allebei omhoog en omlaag tegelijk, maar zodra we er één waarnemen en ‘omhoog’ vinden, bepalen we ook dat de andere ‘omlaag’ staat. Dat effect is onmiddellijk, zelfs als het andere elektron zich in een raket aan de andere kant van de Melkweg zou bevinden”, aldus Hanson.

Bell Test

Hansons onderzoek is een praktische implementatie van een in 1964 door CERN wetenschapper John Stewart Bell bedacht experiment: de Bell Test. Dit experiment voert op een slimme manier metingen uit aan de beide partners van een verstrengeld paar en sluit daarbij de door Einstein gesuggereerde andere verklaringsgronden (‘verborgen variabelen’) uit. Tijdens de laatste vier decennia voerden wetenschappers vele Bell Tests uit, met resultaten die lieten zien dat de spookachtige actie op afstand inderdaad bestond. Maar elke Bell Test tot nu toe bevatte achterdeurtjes, zogenaamde ‘loopholes’, waardoor toch niet helemaal kon worden uitgesloten dat Einstein gelijk zou kunnen hebben.

Zo zou het kunnen, als de deeltjes te dicht bij elkaar zijn, dat er communicatie tussen hen was tijdens het experiment (de ‘locality loophole’) waardoor de waargenomen correlaties met een lokaal model kunnen worden verklaard. Een tweede achterdeur ontstaat als het experiment maar een klein deel van de verstrengelde paren echt kan meten. Dan kan het dat het waargenomen deel helemaal niet representatief is voor alle verstrengelde paren: de ‘detectie loophole’. Met de achterdeurtjes open kunnen verklaringen zonder “spookachtige invloeden” niet worden uitgesloten.

Sneller dan het licht

De verdienste die Hanson en zijn mede onderzoekers nu opeisen, is dat ze er als eersten in zijn geslaagd alle loopholes gelijktijdig uit te sluiten: “We hebben twee laboratoria, één in het natuurkundegebouw en een in het Reactor Instituut aan de andere kant van de campus. De grote afstand tussen de opstellingen zorgt ervoor dat noch de detectoren, noch de elektronen zelf onderling informatie kunnen uitwisselen tijdens het experiment. Die uitwisseling kan nooit sneller gaan dan de snelheid van het licht en de afstand tussen de labs is simpelweg te groot om te overbruggen in de tijd die wij nodig hebben de elektronen te meten”, vertelt promovendus Bas Hensen, eerste auteur van de publicatie in Nature. “Daarmee is de lokaliteits-loophole gedicht. We sluiten ook de detectie-loophole, omdat we in ons experiment alle verstrengelde paren detecteren. Het is de eerste Bell Test vrij van loopholes, en nog steeds zien we dat de onzichtbare en onmiddellijke verbinding van verstrengeling er echt is: de spookachtige invloeden zijn er echt”.

Beveiligingssleutel

Het Delftse experiment sluit een hoofdstuk van een van de meest intrigerende debatten in de wetenschap, ooit begonnen tussen de grootheden Albert Einstein en Niels Bohr. Maar het experiment heeft ook een belangrijke toepassing: verstrengeling maakt een vorm van inherent veilige communicatie mogelijk. De uitkomsten van de metingen kunnen namelijk ook gebruikt worden als een beveiligingssleutel. Het is voor hackers fundamenteel onmogelijk om die sleutel af te luisteren, omdat de sleutel niet reist tussen twee punten, maar gecreëerd wordt uit de verstrengeling. Tenminste, als er geen loopholes zijn, want dat zijn achterdeurtjes waardoor hackers toch naar binnen zouden kunnen sluipen. Kwantum mechanica kan alleen een inherent veilige vorm van communicatie leveren als alle achterdeurtjes dicht zitten. Het Delftse experiment heeft voor het eerst aangetoond dat de achterdeurtjes allemaal gesloten kunnen zijn.