De frustratie van Einstein is compleet: de spookachtige waarheid van de quantummechanica

De vreemde consequenties van de quantummechanica vond Einstein spookachtig. “Deze theorieën spelen een gewaagd spel met de werkelijkheid”, vond hij. Nu, 80 jaar later, hebben mijn collega’s in Delft als eerste een sluitend bewijs kunnen geven: ‘spooky action at a distance’ is waar!

21 oktober 2015

Quantumverstrengeling

In mijn eerste blog kwam quantumverstrengeling al aan bod: bizarre overeenkomsten tussen twee deeltjes op afstand. Wanneer twee deeltjes verstrengeld zijn, hebben ze geen eigenschappen meer van zichzelf. Op welke manier je ook naar de deeltjes kijkt, ze hebben altijd bindende correlaties. Een meting op het ene deeltje, beïnvloedt daardoor instantaan een meting op het andere deeltje, zelfs wanneer ze lichtjaren van elkaar gescheiden worden.

Albert Einstein kon dit niet verkroppen: niets kan sneller dan het licht. Deze ‘spooky action at a distance’ toonde volgens hem aan dat de quantummechanica nog niet compleet is.

In 1935 kwam een van de inmiddels meest bekende publicaties uit, waarin Albert Einstein, Boris Podolski and Nathan Rosen schreven dat de quantummechanica incompleet moest zijn. De natuur moet volgens hen lokaal zijn. Maar Niels Bohr was het daar niet mee eens: de wetten van de quantummechanica zijn misschien tegenintuïtief en abstract, maar wel correct!

In 1964 nam de discussie een verrassende wending: John Bell bedacht een test die een maximum stelde aan de hoeveelheid correlaties die je kan meten, zonder dat er ‘spooky action at a distance’ is. Wat bleek: wat je ook aan de quantummechanica zou toevoegen, de bizarre correlaties zouden blijven bestaan.

Quantummechanica was dus niet incompleet: het was of helemaal fout, of deze bizarre quantumverstrengeling is een heel gewoon natuurverschijnsel is. Voor de test moeten bepaalde correlaties tussen twee verstrengelde deeltjes gemeten worden. Als dit optelt tot een getal groter dan 2, wint de quantummechanica en bestaat de spooky action at a distance. De metingen moeten wel zó worden gedaan, dat er niets anders dan quantumverstrengeling verantwoordelijk kan zijn. En dit bleek nogal een heikel punt.

Een van de eerste Bell-tests werd in 1982 uitgevoerd door Alain Aspect. Hoewel een enorme doorbraak, echt overtuigend was het resultaat van dit experiment niet. Het was zo moeilijk de deeltjes goed te meten dat verreweg de meeste metingen geen antwoord opleverden. En het kon best zo zijn dat toevallig alleen de goede antwoorden doorkwamen.

Ook lag de volgorde van de metingen van tevoren vast: dus de deeltjes konden dus ook vooraf vastgelegde antwoorden geven. Door zulke, en andere, ‘loopholes’ was een ultiem antwoord dus nog niet gegeven. In de jaren erna werden er vele Bell-tests uitgevoerd. Steeds meer loopholes werden gedicht, maar nooit allemaal. Tot het jaar 2015…

Diamanten op afstand

In mijn onderzoeksgroep werken we met elektronen in diamanten. Het mooie van deze elektronen is dat ze licht kunnen uitzenden, afhankelijk van hun toestand. Jarenlang heeft promovendus Bas Hensen met collega’s gewerkt aan het koppelen van twee elektronen in diamant, via deze lichtdeeltjes. Eind 2012 realiseerden ze al kwantumverstrengeling tussen twee elektronen over 3 meter: een hele belangrijke stap! Maar om alle loopholes te kunnen sluiten moest deze afstand veel groter worden: 1280 meter. Daarnaast mochten de metingen niet van te voren vastliggen. Dit maakte het experiment enorm veel moeilijker. Bas nam de leiding over het ‘Bell-team’, en ging de uitdaging aan.

Overzichtsfoto van de campus, met twee locaties voor de verstrengelde deeltjes, en een derde locatie om de verstrengeling te realiseren.
Topografische Ondergrond Kadaster

Er werd een glasfiber onder de campus van de universiteit door getrokken om de lichtdeeltjes te leiden. In ons bestaande lab stond de ene diamant, en voor de andere werd een ruimte gevonden aan de andere kant van de campus. Een derde ruimte was nodig om de lichtdeeltjes te meten, zodat de elektronen verstrengeld konden worden. Om te zorgen dat de metingen echt niet van tevoren bepaald konden worden, werden verschillende ‘random number generators’ onderworpen aan uitgebreide tests. Naast al het praktische werk, berekende en testte het Bell-team alle belangrijke tussenstappen; niets werd aan het toeval overgelaten.

Het meetstation, van hieruit konden de computers en belangrijke apparaten op de drie locaties gecontroleerd worden.
Bas Hensen

Een quantumrevolutie

Alle voorbereiding nam al bijna twee jaar in beslag, en tegenslagen maakten het niet altijd leuk. Promoveren is ook doorzetten: het Bell-team heeft daar nieuwe betekenis aan gegeven. De echte metingen moesten toen nog beginnen. Omdat de lichtdeeltjes nu zo ver moesten reizen, werden de elektronen maar ongeveer een keer per uur verstrengeld. Om een overtuigend bewijs te kunnen geven zijn er behoorlijk wat metingen nodig. Uiteindelijk heeft het echte experiment 18 dagen en nachten gekost. Al die tijd moest er iemand aanwezig zijn. Maar dit resulteerde dan ook in een meetwaarde van 2,42+/-0,2, de klassieke limiet van 2, door Bell gesteld, is dus duidelijk overschreden, Einstein had in dit geval echt geen gelijk, dikke winst voor de quantummechanica!

Dit experiment klinkt vast als een gewonnen strijd, een afgesloten hoofdstuk. Maar dit project was in onze groep niet gedaan als er niet op voortgebouwd kan worden. Quantumverstrengelde deeltjes op grote afstand zijn een veelbelovend middel. In onze groep spreken we over het ‘quantum internet’: een écht veilige verbinding over afstand, zonder dat daar ook maar iemand tussen kan komen. Maar de huidige stand van zaken – een enkele bit informatie per uur – is nog wat magertjes. We gaan dus weer hard aan de slag voor de volgende gave stappen in de quantumrevolutie!

Meer lezen over dit onderwerp? Lees hier een interessant Kennislink-artikel, of deze gave strip over het Bell-project. En mocht je daarna nog verder willen lezen: