Alice, Bob en kwantum-muntjes

Nu je kennis maakt met mij, moet je eigenlijk nog twee mensen leren kennen: Alice en Bob. Het zijn belangrijke bekenden van iedere kwantumfysicus. Ze brengen de vaak ingewikkelde dingen een beetje tot leven. Veel beter dan deeltje ‘A’ en deeltje ‘B’. In deze blog wil ik je niet alleen voorstellen aan Alice en Bob, maar ook een beetje laten proeven van de wereld waarin zij leven: de kwantumwereld.

12 mei 2015

Een groot probleem van Alice en Bob is dat zij niet afgeluisterd willen worden. Ze zijn ver van elkaar, en vertrouwen de telefoonlijn niet. Logisch, want de jaloerse Charlie ligt op de loer. Zij tapt stukjes van de gesprekken af, beluistert ze eerst zelf, en stuurt ze dan door. Dit kan ze gewoon doen zonder dat Alice en Bob daar ook maar iets van merken.

Versleuteling
Als Alice en Bob naast hun telefoon een kwantumlijn hebben, zou dit nooit kunnen gebeuren. Ze kunnen dan een codetaal gebruiken door de telefoon, terwijl ze via de kwantumlijn de versleuteling van de taal bepalen. Charlie kan de telefoon nog steeds afluisteren, maar hier begrijpt ze niets meer van. De boodschap is in geheimtaal en zij heeft de sleutel niet. De kwantum lijn kan zij niet onderbreken: dat hebben Alice en Bob direct door. En dit kan allemaal dankzij extra mogelijkheden in de kwantummechanica: superpositie en verstrengeling.

Kop of munt
Wanneer een deeltje in een superpositie is, betekent dat dat het twee toestanden tegelijkertijd heeft. Je kunt het zien als een muntje dat je in de lucht gooit: we weten nog niet of het neerkomt met kop of munt naar boven. Maar wat ik echt bijzonder vindt is dat als het muntje echt in een kwantum-superpositie is, we met alle kennis van de wereld niet kunnen bepalen of het als kop of munt neer gaat komen. Twee precies dezelfde muntjes, op precies dezelfde manier gegooid, hoeven niet hetzelfde antwoord te geven. Pas als het muntje neerkomt wordt dit bepaald, en dat is direct ook het einde van de superpositie: als je er naar kijkt kiest het een kant.

Ontzettend klein
Stel we geven Alice en Bob ieder een muntje. We laten ze hun muntje steeds opgooien, en kijken wanneer ze hetzelfde zijn: beide kop, of beide munt. Dan is de kans dat ze 25 keer achter elkaar hetzelfde gooien ongeveer even groot als de kans dat je dood zal gaan aan een uurtje fietsen, ontzettend klein dus. Als we naar verstrengeling gaan kijken wordt het fascinerend: als Alice en Bob twee kwantummuntjes hebben die verstrengeld zijn, gooien ze met gemak iedere keer hetzelfde!

Verstrengeling
Deze verstrengeling is een gezamenlijke superpositie. Waar het enkele muntje in een superpositie van ‘kop’ en ‘munt’ was, zijn de twee muntjes van Alice en Bob nu in een superpositie van ‘allebei kop’ en ‘allebei munt’. Dit heet verstrengeling omdat we de muntjes echt niet meer los van elkaar kunnen zien. Op het moment dat het muntje van Bob neerkomt met kop naar boven, hoeven we niet eens meer naar die van Alice te kijken, die is ook kop.

Van alle kanten
Het meest bizarre is dat als Alice en Bob op verschillende manieren naar hun kwantummuntjes kijken (bijvoorbeeld vanuit andere hoeken) ze altijd bijzondere correlaties vinden. Maar, als ze eenmaal op een bepaalde manier hebben gekeken, kiezen de muntjes een kant, en is de verstrengeling verdwenen. Nu kun je je misschien voorstellen dat dit het grote probleem van Charlie is. Want als zij stiekem van boven naar een muntje heeft gekeken, verpest ze de verstrengeling. Alice en Bob vinden nu geen correlatie als zij van de zijkant kijken en ontdekken de stiekeme Charlie.

Kwantumwereld
Ik heb nu een hele korte uitleg gegeven voor superpositie en verstrengeling, en dit is nog niet het hele verhaal. Maar ik kan me voorstellen dat dit even moet bezinken. Toch hoop ik je in mijn blog de komende tijd steeds iets meer duidelijkheid te geven over de kwantumwereld, en wat ik daarin doe als wetenschapper. Alice en Bob komen nog wel eens terug, misschien samen met hun bijzondere kat: ‘Schrödinger’s cat’.