Je leest:

Teleportatie uit de sci-fi hoek

Teleportatie uit de sci-fi hoek

Auteur: | 21 juni 2002

Sinds 1998 kun je het woord ‘teleportatie’ gebruiken zonder het over fantasy of science-fiction te hebben. Toen slaagden de Oostenrijkse Anton Zeilinger en zijn team erin één enkel lichtdeeltje een paar meter te teleporteren. Niet spectaculair genoeg? Het foton deed daar ook nog eens exact nul seconden over. Het ‘sprong’ van de ene kant van de opstelling naar de andere met een snelheid groter dan die van het licht. En dát was en is erg spectaculair. Sinds Zeilinger’s experiment proberen wetenschappers grotere en grotere voorwerpen te verplaatsen. Daarbij maken ze gebruik van de eigenaardigheden van de kwantummechanica.

Een Australisch team, onder leiding van dr. Ping Koy Lam, is er nu in geslaagd een complete lichtbundel met informatie te versturen. Lam waarschuwt wel dat Star Trek-fans voorlopig nog van A naar B zullen moeten lopen. Sneller reizen dan het licht kan met de gebruikte methode niet: er moet altijd informatie van de zender naar de ontvanger via de normale ruimte. Die informatie kan niet sneller dan het licht. Bovendien is er altijd een apparaat nodig dat als ontvanger werkt. Zomaar iets naar een willekeurige plek sturen is helaas onmogelijk. Het resultaat is vooral interessant voor beveiligingsexperts.

Een opstelling voor kwantum-teleportatie. De laserbundels worden zo gecombineerd en gesplitst, dat ze in een gedeelde toestand terecht komen. Wat met de ene bundel gebeurt, gebeurt ook met de andere. Door de bundels als zender en ontvanger te gebruiken, kun je informatie en deeltjes verplaatsen.

Kwantummechanica in een notendop

Het lijkt zo simpel. Als je van de ene plek naar de andere wilt gaan, reis je via de tussenliggende ruimte. Niet bewegen betekent: nergens naartoe gaan. Maar zoals wel vaker gedraagt de echte wereld zich tegen-intuïtief. In de kwantummechanica, de natuurwetten voor atomen en kleinere deeltjes, gelden andere regels dan we in het dagelijks leven kennen.

Het vak kwantummechanica veroorzaakt op de universiteit en hoge school altijd een hoop verwarring. Het hele vak is erop gebaseerd dat je zonder te meten niet weet in welke toestand een deeltje is. Daarom moet je de toestand vóór een meting ook beschrijven als een superpositie, een mengeling van toestanden. Pas bij een meting blijkt welke toestand daadwerkelijk aanwezig was. Maar die ‘keuze’ van één toestand wordt gedreven door kansen: elke toestand heeft een bepaalde kans om gemeten te worden en van te voren is niet te bepalen wat de meting zal opleveren. Je kunt bij dertig exact dezelfde atomen wachten op het moment dat ze uit elkaar vallen, en elk doet dat op een ander tijdstip. De enige conclusie die je kunt trekken vóór een meting zijn alle toestanden mogelijk en zit een deeltje dus in alle mogelijke toestanden tegelijkertijd.!

Gedachtenexperiment

Kleine deeltjes kunnen niet alleen moeilijk beslissen hoe ze eruit zien, ze kunnen ook oneindig snel met elkaar praten. Neem dit experiment maar eens: een stilstaande atoomkern die in twee even zware stukken uit elkaar spat. De snelheid waarmee ze van de oude kern wegvliegen is van te voren onbekend, maar ze moeten wel even snel en in tegengestelde richting bewegen omdat de oude kern nu eenmaal stilstond. Dat is een gevolg van de wet van behoud van impuls.

Van te voren staat niet vast hoe hard een brokstuk beweegt; dat is een willekeurige waarde uit de bestaande mogelijkheden. Als de snelheid echter voor één van de stukken is gemeten, weet de onderzoeker wel meteen wat de waarde voor het andere stuk is. Voor de meting hebben de brokstukken volledige vrijheid om een bepaalde snelheid te hebben, maar de ‘keuze’ van de een bepaalt oneindig snel en oneindig ver de snelheid van de ander. Deeltjes waarvan de eigenschappen zo van elkaar afhangen zijn in vaktermen met elkaar ‘verstrengeld’. Het vreemde aan deze verstrengeling is, dat wat het ene deeltje in een paar overkomt, soms – ongeacht de afstand – ook met de andere partner gebeurt. Stel je eens voor dat twee auto’s die op elkaar botsen hetzelfde zouden doen als verstrengelde deeltjes. Dan zou je, door de ene uit te deuken, ook meteen de andere repareren! De verstrengeling is trouwens maar een fragiel beestje. Een verstoring zoals een meting of andere invloed van buitenaf dwingen het verstrengelde systeem in een bepaalde toestand. Daarna zijn de deeltjes weer ‘los’; wat met de ene gebeurt, gebeurt niet meer met de ander. De brokstukken moeten dus goed worden afgeschermd van de buitenwereld, anders verdwijnt de verstrengeling.

Een enkel foton wordt op een speciaal kristal afgeschoten en splitst zich in tweeën. De twee fotonen hebben een verstrengelde polarisatie. Dat is de richting waarin het elektromagnetische veld van het foton trilt. Als je de polarisatie van het ene foton meet, weet je ook meteen die van het andere foton. bron: Science and Technology Research Centre, universiteit van Hertsford, UK

En…spring!

De Australische wetenschappers namen eerst twee lichtbundels, de dragers, en ‘verstrengelden’ die. De ene drager ging daarna naar de zender, de andere naar de ontvanger. Bij de ontvanger werd een derde bundel met een gecodeerd signaal verstrengeld met de draagbundel. Deze mengeling van drager en boodschap heeft bepaalde eigenschappen, en een paar daarvan werden gemeten. Met de metingen kon men vervolgens uit de andere drager, die nu verstrengeld was met zowel de boodschap als zijn originele partner, de boodschap halen. De originele boodschap is ondertussen verloren gegaan bij de botsing met de drager. De informatie in de boodschap is op de ene plek verdwenen en op de andere weer verschenen – teleportatie!

Spelen de onderzoekers misschien vals? Ze meten tenslotte allerlei eigenschappen van de boodschap en gebruiken die om bij de ontvanger de boodschap te ontcijferen. Maar de gemeten waardes zijn op zichzelf niet genoeg om de boodschap te decoderen: er zit namelijk naast de originele boodschap ook het signaal van de drager in verwerkt. Toch komt de originele boodschap ongeschonden uit de ontvanger zetten. Dat is een teken dat de boodschap niet met de hand bij de ontvanger wordt ingevoerd, maar via de verstrengelde bundels is overgebracht.

Overigens is er ook een andere methode, die destijds door Zeilinger’s team is gebruikt. Zij lieten twee fotonen in de zender op elkaar botsen. Een daarvan was de drager, de andere de boodschap. Bij de zender staan een halfdoorlatende spiegel en twee detectoren. Elk foton heeft 50 % kans om in één bepaalde detector aan te komen. In totaal gaan ze in een op de vier keer naar dezelfde detector en zijn dan verstrengeld met elkaar en de andere drager. Het enige dat de zender aan de ontvanger doorgeeft is, dat deze verstrengeling heeft plaatsgevonden. De ontvanger weet dan, dat zijn eigen drager nu de eigenschappen van de boodschap bevat. In deze opzet wordt geen informatie over de eigenschappen van de fotonen gemeten, alleen of ze verstrengeld zijn geraakt.

Teleporteren in de praktijk

Om grotere voorwerpen te teleporteren zijn grotere dragers nodig. Voor het transporteren van een enkel foton volstonden twee fotonen – een zender en een ontvanger. Een bacterie bestaat uit duizenden moleculen, dus moet je duizenden moleculen met elkaar zien te verstrengelen en uit elkaar bewegen. Botsingen tussen de moleculen vormen ook een verstoring van het systeem, en zijn bijna niet te vermijden. Het is dus wel theoretisch mogelijk om een mens te teleporteren, maar de technische problemen zijn duizelingwekkend. Het ethische en psychologische aspect van teleportatie is ook interessant: is de persoon die wordt afgebroken wel dezelfde als de persoon die wordt gereconstrueerd? En is het niet vreselijk eng om tijdelijk niet te bestaan terwijl een kwetsbaar kwantumeffect je lichaam overseint?

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 21 juni 2002

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.