Je leest:

Quantumteleportatie reikt aanzienlijk verder

Quantumteleportatie reikt aanzienlijk verder

Auteur: | 25 mei 2012

In korte tijd is het afstandsrecord voor het teleporteren van lichtdeeltjes twee keer fors verbroken. Eerst bracht een Chinese groep het record van 16 naar 97 kilometer, waarna een Europese groep zelfs tot 143 kilometer kwam. Een ultraveilig ‘quantum-internet’ lijkt aanzienlijk dichterbij gekomen.

Flickr / Wonderlane

Om maar direct de pret te drukken: als het gaat om het teleporteren van mensen zijn wetenschappers helemaal niets opgeschoten. Jezelf in één ogenblik naar een totaal andere plek verplaatsen – verschijnselen, zoals Harry Potter het zou noemen – blijft voorlopig sciencefiction, hoe hard je ook Beam me up, Scotty! roept. Nee, we hebben het hier over het teleporteren van informatie, iets dat al sinds eind jaren negentig werkelijkheid is.

Toeval en onzekerheid

Informatie die verdwijnt en een stukje verderop opduikt is mogelijk dankzij de onnavolgbare wetten van de quantummechanica, die gelden voor deeltjes als fotonen, elektronen en protonen. De wereld van de quantummechanica kenmerkt zich door toeval en onzekerheid. Eigenschappen van deeltjes, zoals de positie of snelheid, kun je alleen vastleggen met een meting aan het deeltje. Vooraf weet je alleen wat de kans is dat een deeltje een bepaalde snelheid heeft, of dat het op een bepaalde plek is.

Huh, verstrengeling?

Je kunt je een goede voorstelling van verstrengeling maken aan de hand van een analogie met twee personen. Een persoon heeft een eigen mening. Als je een persoon iets vraagt, dan leer je uit het antwoord iets over zijn karakter. Als deze twee personen ‘verstrengeld’ zouden zijn, dan verandert dit de antwoorden. Dan geeft elk persoon ineens een willekeurig antwoord op iedere vraag. Maar wel zodanig dat de twee personen op dezelfde vraag altijd tegengesteld antwoorden. Ook al zijn ze ver van elkaar verwijderd en hebben ze vooraf niets afgesproken, hun antwoorden zijn altijd tegengesteld. Op de een of andere manier is er dus toch een soort connectie tussen de personen: dat noemen we verstrengeling.

Een opmerkelijk uitvloeisel daarvan is het fenomeen van verstrengeling, dat een rol speelt bij teleportatie. Als twee deeltjes verstrengeld zijn wil dit zeggen dat er een soort connectie is die de deeltjes verbindt, noem het een onzichtbare telefoonlijn. De uitkomst van een meting aan het ene deeltje beïnvloedt ogenblikkelijk de toestand van het andere deeltje, hoe groot de afstand tussen de deeltjes ook is. Dit lijkt in strijd met de relativiteitstheorie, volgens welke geen informatie sneller verplaatst kan worden dan met de lichtsnelheid. Albert Einstein noemde verstrengeling dan ook ‘spooky action at a distance’. Toch bewijzen experimenten dat het kan, ook al weet men niet precies hoe verstrengeling werkt.

Fotonen teleporteren

Die vreemde verstrengeling speelt een cruciale rol bij het teleporteren van deeltjes zoals IBM-man Charles Bennett het in 1993 bedacht. Stel dat een persoon, Alice, een foton (een lichtdeeltje) wil teleporteren naar haar vriend Bob (deze namen worden vaak gebruikt in gedachte-experimenten in cryptografie en communicatie), hoe gaat dat? Drie fotonen zijn van belang: een teleportatiefoton (het foton dat Alice naar Bob wil teleporteren) en twee fotonen die door Alice verstrengeld worden.

Je kunt twee fotonen verstrengelen door een laser door een niet-lineair kristal te sturen. Hierdoor wordt een ultraviolet foton gesplitst in twee infrarode fotonen. Het verstrengelde paar – EPR-paar genoemd – ontstaat op de punten waar de twee bundels kruisen. Klik op het vergrootglas voor een vergroting.
Michael Reck, Universiteit van Innsbruck

Het ene foton van het verstrengelde paar houdt ze zelf – die noemen we het communicatiefoton – en de ander stuurt ze naar Bob – deze noemen we Bobs foton. Vervolgens gaat Alice het teleportatiefoton en communicatiefoton verstrengelen. Dat kan ze doen door ze bijvoorbeeld op een halfdoorlaatbare spiegel te laten botsen en vervolgens een meting te doen. Omdat na de botsing niet duidelijk is welke foton Alice meet, is sprake van een verstrengeld paar.

Maar wacht, was het communicatiefoton niet al verstrengeld met Bobs foton? Inderdaad, precies daarom krijgt Bobs foton in één keer de eigenschappen van het teleportatiefoton. En omdat Alice een meting doet aan het teleportatiefoton gaat diens oorspronkelijke toestand verloren. Er is dus geen deeltje geteleporteerd, maar de informatie is van een foton bij Alice verdwenen en geprojecteerd op een foton bij Bob.

Quantumteleportatie in schema. Het blauwe foton (A) is het teleportatiefoton. B is het communicatiefoton en C is Bobs foton. B en C zijn verstrengeld. A wordt in een bepaalde toestand gebracht (geel) welke we willen teleporteren. Door en A en B te verstrengelen, wordt automatisch de toestand van A op foton C geprojecteerd.
quantum-teleportation

Record verpulverd

Eind jaren negentig lukte het wetenschappers voor het eerst zo’n teleportatie van lichtdeeltjes over een paar meter in het lab uit te voeren. Inmiddels is het ook met atomen gelukt en zijn fotonen over langere afstanden, buiten het lab, geteleporteerd. In 2010 kwam een Chinees onderzoeksteam van University of Science and Technology of China in Hefei tot een afstand van 16 kilometer. Datzelfde team heeft zijn eigen record nu verpulverd: ze teleporteerden fotonen over een afstand van 97 kilometer.

Bij teleportatie-experimenten bestaat de opstelling vaak uit tafels vol met lasers, spiegeltjes en lenzen.
Universiteit van Innsbruck

De kunst bij dit soort experimenten is om de verstrengeling tussen de fotonen in stand te houden, want de kleinste verstoring verbreekt de connectie. In de opstelling van de Chinezen maakte niet ‘Alice’ de verstrengelde paren, maar een derde zender, ‘Charlie’. Vanaf Charlie werd één foton van de verstrengelde paren naar ‘Alice’ gezonden, en de ander naar ‘Bob’. Bij Alice werd dit foton vervolgens bewerkt met het te teleporteren foton, waarna bij Bob de eigenschappen van het teleportatiefoton werd gemeten. Een ingewikkelde combinatie van lasers, lenzen en spiegels zorgde ervoor dat de Chinezen in een tijdsbestek van vier uur ruim duizend fotonen konden teleporteren.

Lang konden de Chinezen niet van hun record genieten, want amper twee weken later waren ze het alweer kwijt. Een Europees team uit Oostenrijk, Duitsland, Canada en Noorwegen onder leiding van Anton Zeilinger meldde fotonen tussen de twee Canarische eilanden La Palma en Tenerife geteleporteerd te hebben. Afstand: 143 kilometer. Het team vond bovendien een manier om de klokken bij Alice en Bob te synchroniseren, waardoor ze konden uitrekenen wanneer een verzonden foton aankwam bij Bob. Dit maakte de metingen nauwkeuriger.

Quantum-internet

Interessant is dat beide teams – de Chinezen én de Europeanen – hun resultaat zien als een belangrijke stap naar een toekomstig ‘teleportatienetwerk’. Informatie zou dan via satellieten naar andere plaatsen ter wereld geteleporteerd kunnen worden, een soort ‘quantum-internet’ dus. Het zou ultraveilig zijn: omdat je de informatie niet fysiek verstuurd, kan niemand het onderscheppen. Wie er als eerste in slaagt zo’n netwerk te maken? Dat wordt spannend: een race tussen ‘Oost’ en ‘West’ lijkt begonnen.

Meer weten over quantumteleportatie? Bekijk dit filmpje waarin TU Delft-onderzoeker Ronald Hanson het fenomeen uitlegt.

Bronnen:

  • J. Yin e.a., Teleporting independent qubits through a 97 km free-space channel, arXiv:1205.2024 (9 mei 2012)
  • X. Ma e.a., Quantum teleportation using active feed-forward between two Canary Islands, arXiv:1205.3909 (17 mei 2012)

Lees meer over teleportatie op Wetenschap24:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 mei 2012

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.