Sophie, wat onderzoek je nou eigenlijk?

Op een familieverjaardag of een feestje krijg ik vaak de vraag: “Sophie, wat onderzoek je nou eigenlijk?”. Inmiddels weet ik dat het antwoord; “Gewoon, een quantuminternet, hoezo?” niet afdoende is. Voordat ik enthousiast van wal steek, vraag ik altijd eerste welke versie ze willen; de beknopte versie van een minuut, een vijf minuten uitleg, een uur durend college of de vijfjarige versie?

17 april 2019

De meest beknopte uitleg vind ik altijd het moeilijkst om te vertellen. Hoe leg je iets uit zodat het natuurkundig correct is, maar ook te begrijpen. Ik waag toch weer een poging. Een quantuminternet bestaat uit verstrengelde quantumbits. Verstrengeling is een hele sterke verbinding en je kan de bits niet meer los van elkaar beschrijven. Dat betekent dat als je jouw bit uitleest je direct ook de uitkomst van het andere bit weet. Zodra je deze verstrengelde link hebt, hoef je geen informatie meer te versturen en die kan dus ook niet onderschept worden. Super handig als je bijvoorbeeld encryptiecode voor versleutelde berichten wilt delen!

In een computer wordt alles opgeslagen in de vorm van bits, enen en nullen.
Pixabay CC0

Poeh, poging geslaagd? Gelukkig vragen mijn ooms en tantes ook af en toe naar de vijf minuten versie. Deze versie begint eigenlijk bij de uitleg van een normale computer. In een computer wordt alles opgeslagen in de vorm van bits, enen en nullen. Een film bestaat bijvoorbeeld uit miljarden van deze bits, een gemiddelde film is een paar gigabyte groot. Al die bits staan opgeslagen in transistors, een soort schakelaars. Staat de schakelaar de ene kant op, dan noemen we het bit 0. Staat hij in de andere richting, dan is het bit 1. Een bit is dus altijd 0 óf 1.

Een quantumbit is een bit dat de regels van de quantummechanica volgt. Hierdoor kan een quantumbit 0 én 1 tegelijkertijd zijn. Dat noemen we een superpositie van 0 en 1. Pas als je een meting doet, dat wil zeggen als je daadwerkelijk gaat kijken wat de waarde van het bit is, dan wordt het een 0 óf 1. Daarnaast kunnen we verbindingen opzetten tussen deze bits, zogenaamde verstrengelingen.

Borrelnootje in superpositie

Dit klinkt allemaal een beetje vaag, dus laat ik een voorbeeld geven. Stel je voor: je hebt een borrelnootje (we zijn immers op een familieverjaardag) en dit borrelnootje gedraagt zich quantummechanisch. Als we niet kijken is er een kans dat we een nootje hebben, maar ook dat we niks hebben. Het borrelnootje is in superpositie. Zodra we gaan kijken moet het quantumnootje een van de twee opties kiezen, we kunnen namelijk geen superpositie waarnemen. Pas als we dit heel vaak herhalen kunnen we iets te weten komen over de superpositie. Bijvoorbeeld als we in de helft van de gevallen geen nootje hebben; ons quantumnootje is half nootje en half geen nootje.

Ons quantumnootje is half nootje en half geen nootje.

Wat betekent het dan als quantumnootjes verstrengeld zijn? Laten we zeggen dat we nu twee borrelnootjes hebben, eentje in de woonkamer en eentje in de keuken. En we hebben ze met elkaar verstrengeld, we hebben een verbinding gemaakt zodat ze samen in een superpositie zijn en niet meer los van elkaar. Bijvoorbeeld de superpositie: wel een nootje in de woonkamer, maar geen in de keuken en geen in de woonkamer, maar wel een in de keuken. Pas als we gaan kijken vinden we een nootje in de woonkamer óf in de keuken.

Als we nu de nootjes weer terug in bits veranderen, dan kun je zien dat we op deze manier een code met elkaar kunnen delen. Elke keer als de persoon in de keuken een 0 meet, dan ziet de ander in de woonkamer een 1. Herhaal je dit een aantal keer dan krijg je twee rijen van nullen en enen; 001010110101… en 110101001010…. Als degene in de woonkamer zijn of haar verkregen code inverteert (een 0 wordt een 1 en omgekeerd) hebben we twee identieke rijen van bits.

Geheime code

Tijdens dit hele proces hebben we deze code nooit van de keuken naar de woonkamer gestuurd! Niemand op de gang kan dus onze geheime code hebben onderschept! Vervolgens kunnen we deze code gebruiken om een bericht mee te versleutelen. Ons bericht in geheimschrift sturen we dan naar de woonkamer. Daar kunnen ze de code gebruiken om de boodschap te ontcijferen.

In het lab gebruiken we geen nootjes, maar enkele elektronen in stukjes diamant. In tegenstelling tot borrelnootjes, gedragen elektronen zich daadwerkelijk volgens deze ogenschijnlijk gekke quantummechanische wetten. De diamantjes bevinden zich een paar meter uit elkaar en we zetten de verstrengeling op met behulp van licht. Maar het principe werkt nog steeds hetzelfde, meten we aan de ene kant een 0, dan weten we direct dat we aan de andere kant een 1 hebben!

Terug naar de verjaardag. De vijf minuten versie mondt vaak uit in het uur durende college. De borrelnootjes zijn inmiddels op, maar de vragen niet. “Hoe snel kan je die verstrengeling maken? Kan je ook meerdere quantumbits verstrengelen? Over welke afstanden kan je quantumbits verstrengelen? Kan je ook een borrelnootje met een kaasstengel verstrengelen? Zijn er nog andere toepassingen dan geheime codes delen?”. Voor de echte aanhouders is zelfs de vijfjarige uitleg (een studie Technische Natuurkunde) niet genoeg, deze vragen zijn namelijk niet van een familielid maar van mijzelf! De komende drie jaar ga ik op zoek naar de antwoorden op deze vragen!