19 juli 2018

Bij experimenten rondom quantumverstrengeling en datateleportatie van de laatste jaren wordt steevast gemeld dat het kan leiden naar een niet te kraken ‘quantum-internet’. Toch duurt dat nog even, maar wetenschappers uit Delft doen nu wel een cruciaal experiment waarin ze quantuminformatie achter elkaar over meerdere quantumverbindingen versturen.

Je leest:

Quantumverstrengeling slaagt voor ultieme test

Quantumverstrengeling slaagt voor ultieme test

Delfts experiment beslecht discussie van bijna een eeuw oud

Auteur: | 3 september 2015

Albert Einstein vond het helemaal niks. Volgens de quantummechanica kunnen twee verstrengelde deeltjes ogenblikkelijk elkaars invloed voelen op grote afstand, waarbij ze schijnbaar de lichtsnelheid doorbreken. Een Delfts experiment laat nu zien dat verstrengeling echt die ‘spookachtige interactie’ is die Einstein voor onmogelijk hield.

Stapje naar een mini-quantuminternet

Telkens als er de afgelopen jaren successen te melden zijn op het gebied van quantumverstrengeling en datateleportatie dan wordt erbij gezegd dat het in de toekomst kan bijdragen aan een superveilig quantuminternet. Wetenschappers van de Technische Universiteit Delft, onder leiding van Ronald Hanson, melden op 13 juni 2018 in het wetenschappelijke tijdschrift Nature een belangrijke stap naar zo’n onkraakbaar netwerk.

Het lukte de wetenschappers om over een afstand van twee meter razendsnel twee elektronen met elkaar te verstrengelen, tot wel veertig keer per seconde. In eerdere experimenten hadden ze al gauw een uur nodig om één verstrengeling tot stand te brengen. De wetenschappers konden via die verstrengeling informatie versturen van het ene naar het andere elektron, en het zelfs doorgeven aan een derde elektron via een andere verstrengeling. Dit bescheiden netwerk is een eerste stapje naar een soort mini-quantuminternet.

NEMO Kennislink schreef eerder uitgebreid over hoe deze verstrengelingsexperimenten in zijn werk gaan, en hoe Hanson en collega’s aantoonden dat die mysterieuze verstrengeling echt bestaat.

Je moet heel wat uit de kast halen om te bewijzen dat Albert Einstein ongelijk had. Maar het is wetenschappers van de Technische Universiteit Delft na bijna een eeuw gelukt. Ze hebben voor het eerst een experiment uitgevoerd dat geen enkele twijfel laat bestaan: er is daadwerkelijk een door Einstein gevreesde spukhaften Fernwirkung (spookachtige interactie op afstand).

In het experiment onder leiding van hoogleraar Ronald Hanson (TU Delft) ging het om de interactie tussen twee elektronen in verschillende labs op 1280 meter afstand. Deze deeltjes werden in het experiment met elkaar verstrengeld. Dat betekent dat de draairichting van beide elektronen onlosmakelijk met elkaar verbonden wordt. Als het ene elektron bijvoorbeeld linksom draait dan draait het andere volgens de quantummechanica onherroepelijk rechtsom.

Ronald Hanson bij een opstelling waarmee eerder twee elektronen werden verstrengeld over een afstand van drie meter. Dat experiment is nu herhaald over een afstand van 1,3 kilometer.
TU Delft/Kavli-instituut

De gekoppelde draairichtingen van beide elektronen zijn volgens de quantummechanica volledig willekeurig en worden pas bepaald op het moment dat ze worden gemeten. Met juist dat laatste had Einstein moeite. Hij hield vol dat elektronen in zo’n experiment van te voren al moeten ‘weten’ wat hun uitkomst wordt, óf dat ze stiekem toch met elkaar communiceren. Het Delftse experiment veegt zo’n ‘verborgen mechanisme’ nu echter van tafel.

De resultaten van het experiment werden vorige week online gepubliceerd in een voorpublicatie. Het artikel moet dus nog officieel gepubliceerd worden, maar dat lijkt slechts een kwestie van tijd. Het nieuws werd accuut opgepikt door Nature die het woord Nobelprijs niet schuwde.

Alle gaten dicht

De afgelopen jaren zijn er al talloze succesvolle experimenten met verstrengelde deeltjes gedaan, waaronder teleportatie-experimenten die deze verstrengeling gebruiken om informatie te versturen. Zo kunnen fotonen over een afstand van meer dan honderd kilometer worden geteleporteerd, en slaagde de groep van Hanson er vorig jaar voor het eerst in om een betrouwbare elektronteleportatie op enkele meters uit te voeren.

John Stewart Bell.
Wikimedia Commons

Maar wáárom is juist dit Delftse experiment zo bijzonder? Dat heeft alles te maken met de twijfel die Einstein in de jaren dertig al uitte. Hij geloofde dat deeltjes alleen beïnvloed konden worden door de directe omgeving en niet door een deeltje dat er in theorie oneindig ver van verwijderd is. Toch was dat precies wat de verstrengeling uit de quantummechanica betekent.

In 1964 kwam de Britse natuurkundige en wiskundige John Bell met een oplossing. Althans hij bedacht een experiment, de Bell-test, waarmee Einsteins gelijk of ongelijk kon worden bewezen. In de test worden twee deeltjes verstrengeld en op een bepaalde manier gemeten, zodat hun spins afhankelijk van de soort meting overeenkomen of juist verschillen. Het mooie van die test is dat Einsteins ‘realiteit’ een andere uitkomst geeft dan die van de quantummechanica.

De Bell-test is meerdere keren uitgevoerd, voor het eerst in de jaren tachtig. Was Einsteins twijfel dan eindelijk volledig van tafel? Nee, want er bleven in de experimenten altijd kleine achterdeurtjes openstaan die verstrengeling konden verklaren via een ‘verborgen mechanisme’.

De eerste loophole was dat er een mogelijkheid bestond dat de verstrengelde deeltjes stiekem toch met elkaar communiceerden, zonder dat we dat doorhebben. Dit kan in een experiment worden ondervangen door de spins van twee verstrengelde deeltjes te meten binnen de tijd waarin ze (binnen de grenzen van de lichtsnelheid) de kans hebben om met elkaar te communiceren.

Een tweede punt is dat eigenlijk alle verstrengelingspogingen goed moeten gaan. Slaagt om wat voor reden dan ook maar een deel van alle experimenten – iets wat bij verstrengeling van fotonen vaak gebeurde – dan is het theoretisch mogelijk dat wetenschappers alleen de uitkomsten registreren die toevallig overeenkomen.

Georchestreerd samenspel

In Delft zijn nu voor het eerst deze twee achterdeurtjes van de Bell-test gedicht binnen één experiment. Hanson en collega’s gebruikten een door hen ontwikkeld betrouwbare opstelling voor het maken van verstrengelde deeltjes. Bovendien zat er tussen het verstrengelde elektronpaar 1280 meter, waardoor het mogelijk was om de spinmetingen te doen voordat ze de kans kregen op wat voor manier dan ook met elkaar te communiceren.

De opstelling waarmee quantuminformatie wordt geteleporteerd op de campus van de TU Delft.
Hensen et al.

Het experiment is een zorgvuldig georchestreerd samenspel tussen verschillende opstellingen op de campus van de Technische Universiteit, die met elkaar verbonden zijn met een speciaal hiervoor aangelegd glasvezelnetwerk. Op de twee plekken dienen stukjes diamant als een zogenoemde elektronenval. Elektronen kunnen hierin ‘gevangen’ worden en worden gemanipuleerd door een laser.

De elektronen worden met elkaar verstrengeld via een derde locatie, ruwweg in het midden van de twee elektronenvallen. Met lasers worden beide elektronen aangeslagen die vervolgens meteen een lichtdeeltje uitzenden. Deze fotonen reizen per glasvezel naar de derde locatie waar ze tegelijkertijd op een halfdoorlatende spiegel vallen.

Twee detectoren achter de doorlaatbare spiegel meten de lichtdeeltjes die ófwel door de spiegel zijn gevallen of erdoor zijn gereflecteerd. Doordat het voor de detectoren niet duidelijk is van welk elektron het foton afkomstig is, raken de twee elektronen met elkaar verstrengeld. Hun draairichtingen worden innig met elkaar verbonden en een meting aan het ene deeltje beïnvloedt het andere deeltje.

Animatie van de verstrengeling van twee elektronen (blauw) die worden verstrengeld via twee fotonen die samen op een spiegel in het midden vallen.

Het verstrengelingsexperiment werd 245 keer herhaald en het grootste aantal keren daarvan deden de spins van de elektronen wat er volgens de quantummechanica van hen verwacht werd. Statistisch gezien was dit aantal experimenten genoeg om de Bell-test te laten slagen, en Einsteins ongelijk te bewijzen.

Heilige graal

Richard Gill, professor Mathematische Statistiek van de Universiteit Leiden, was zijdelings bij het onderzoek betrokken en is ontzettend blij met het resultaat. “Dit is al meer dan vijftig jaar de heilige graal in de quantuminformatica”, zegt hij. “Natuurlijk, de meeste wetenschappers waren al overtuigd van quantumwetten, maar toch denk ik dat er nog natuurkundigen waren die er op een of andere manier aan twijfelden.”

Gill zegt dat het experiment nu vooral nog vaak herhaald moet worden om de onzekerheid verder omlaag te krijgen. “Dit resultaat kan gemiddeld eens in de veertig keer ook door puur toeval ontstaan. Dat kan nog een stuk beter.” Overigens wilde Hanson zelf nog niet reageren op de resultaten omdat het onderzoek officieel nog niet gepubliceerd is.

Uiteindelijk is het experiment ook belangrijk voor de eerder genoemde teleportatie, waarmee quantuminformatie verstuurd wordt tussen bijvoorbeeld quantumcomputers. De theorie stelt dat dit honderd procent veilig kan, zonder dat iemand meeluistert. “Theoretisch gaven de loopholes hackers echter de kans om de boel te belazeren”, laat Gill weten.

Ook de Delftse natuurkundige Julia Cramer schreef een blog over dit onderzoek.

Bron

  • Hensen B. et al., Experimental loophole-free violation of a Bell inequality using entangled electron spins separated by 1.3 km, voorpublicatie arXiv (24 augustus 2015), http://arxiv.org/abs/1508.05949
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 03 september 2015

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.