Quantumverstrengeling slaagt voor ultieme test

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.

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.

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.