Hoe teleporteer je een verstrengeling?

Teleporteren?! Dat klinkt als science fiction, maar dat is het niet! Een paar jaar geleden teleporteerden we in Delft een quantumbit een paar meter, nu zet ik binnenkort een grote stap voorwaarts voor het quantuminternet. Ik ga een verstrengeling teleporteren in het lab!

3 september 2019

Een paar jaar geleden liet ik een filmpje van Minute Physics aan mijn vader zien. In deze korte YouTubevideo wordt uitgelegd hoe een kat naar de maan geteleporteerd kan worden. Er wordt niks van vlees en bloed geteleporteerd, maar een stukje informatie. Geen echte kat maar een ‘cat state’, een beschrijving van een quantummechanische kat die tegelijkertijd dood en levend is.

Het filmpje van Minute Physics over een kat die naar de maan wordt geteleporteerd

Desalniettemin vraagt mijn vader elk half jaar of ik al een kat naar de maan geteleporteerd heb. Tot nu toe is mijn antwoord altijd nee geweest en dat zal nog wel een tijdje zo blijven, maar binnenkort ga ik een soortgelijk experiment uitvoeren. Komende tijd ga ik verstrengeling teleporteren.

Science fiction

Teleporteren?! Dat klinkt als science fiction, maar dat is het niet. Sterker nog, ook in Delft hebben we een paar jaar geleden een teleportatie-experiment gedaan. Hier teleporteerden we een quantumbit over een afstand van ongeveer drie meter. Waarbij een quantumbit het equivalent van een quantumkat is in een computer. Een computerbit dat zowel 0 als 1 tegelijkertijd kan zijn.

Een quantumcomputerbit kan zowel 0 als 1 tegelijkertijd zijn.
Pixabay CC0

Dit experiment was zo’n groot nieuws dat het zelfs het achtuurjournaal haalde, waarin de nieuwslezer Rob Trip ook over een afstand van drie meter werd geteleporteerd. Nu, een paar jaar later, gaan we een stapje verder. In plaats van de informatie van één deeltje, willen we een verstrengelde toestand teleporteren.

In feite willen we de verstrengeling doorgeven. We willen twee quantumbits met elkaar verstrengelen waar geen directe connectie tussen bestaat, met behulp van een derde quantumbit in het midden.

Waarom wil je verstrengeling doorgeven?

Zo’n verstrengelde toestand is handig als je bijvoorbeeld geheime informatie met elkaar wil delen, zoals een wachtwoord. Zodra twee deeltjes verstrengeld zijn geven ze namelijk altijd sterk gecorreleerde uitkomsten. Ze geven óf altijd dezelfde uitkomst óf precies het tegenovergestelde. Als iemand probeert af te luisteren zie je dit in je meetuitkomsten.

Om met iedereen waar ook ter wereld zo’n verstrengeling te maken, heb je een heel groot netwerk nodig, een quantuminternet. Zo communiceer je met iedereen veilig. Vanuit een praktisch oogpunt is het erg onhandig om met iedereen een directe verbinding te hebben, daarom is het nodig dat de verstrengeling kan worden doorgegeven. Je kan het vergelijken met een router in het normale internet, die je lokale thuisnetwerk met het hele internet verbindt. Maar met het quantuminternet is het zelfs niet mogelijk voor deze tussenpersoon om je ongezien af te luisteren!

Het kookboekrecept

Ook al is dit experiment volledig nieuw, het is nog nooit door iemand op deze manier uitgevoerd. Maar we hebben het al wel als een kookboekrecept uitgewerkt.

Benodigdheden:

Drie netwerkknooppunten met elk een quantumbit

Een geheugenquantumbit in het middelste knooppunt

Speciaal meetgereedschap om de gelijkenis tussen twee quantumbits te bekijken; een Bellmeting.

Het stappenplan:

Maak verstrengeling tussen knooppunten A en B.

Sla deze zorgvuldig op in knooppunt B, zodat je hem goed kan bewaren tijdens de volgende stap.

Maak het 2e verstrengelde paar tussen knooppunten B en C.

Gebruik de speciale meting, de Bellmeting, om de twee quantumbits in knooppunt B te bekijken.

Communiceer de uitkomst van deze meting naar A en C.

Afhankelijk van de uitkomst van de Bellmeting voeren A en C een correctie uit en voilà je hebt verstrengeling geteleporteerd.

Voor de oplettende lezer; versturen wij dan informatie sneller dan het licht? Dat kan toch helemaal niet? In dit opzicht is stap 4 cruciaal. Alleen als je de uitkomst van de Bellmeting weet, kun je de daadwerkelijke verstrengeling herconstrueren.

Op papier ziet dit recept er niet zo moeilijk uit, in de praktijk is dat anders. Er zijn een aantal zaken die dit experiment erg lastig maken. Verstrengeling maken lukt namelijk meestal niet, sterker nog: meestal hebben we ongeveer tweeduizend pogingen nodig om verstrengeling te maken. Gelukkig zijn we erg snel in proberen, een poging duurt ongeveer vier microseconde (een microseconde is een duizendste van een milliseconde).

Daardoor kunnen we tegenwoordig zo’n 40 tot 100 verstrengelingen per seconde maken.
Veruit de grootste uitdaging is het bewaren van de verstrengelde toestand in het geheugenbit. Elke keer dat we een poging wagen om verstrengeling te maken, verstoren we het geheugen een beetje. En is het geheugen helemaal verstoord, dan moeten we helemaal opnieuw beginnen.

Binnenkort?

De laatste paar maanden hebben we allemaal verbeteringen aangebracht aan onze opstellingen en nu zijn we bijna zover dat we het experiment kunnen uitvoeren. Dus hopelijk kunnen we binnenkort zeggen dat we weer teleportatie in ons lab hebben uitgevoerd. Geen levende kat, maar een verstrengelde toestand!