Een quantumschim voor captain Kirk

de Volkskrant, Wetenschap, 26 juni 2004 (pagina 7W)
Door Martijn van Calmthout

Apparaat waarmee teleportatie met atomen werd aangetoond

electronische val waarin atomen worden vastgehouden



 


Neem een deeltje en zap het naar de andere kant van het heelal. Met licht kan het al, vorige week deden fysici het ook met materie. Alleen schiet captain Kirk er niets mee (foto)

Bennet's schema voor quantumteleportatie Verstoord origineel Scan Originele toestand A Geteleporteerde toestand van A Bewerking Verstrengeld atomen-paar

Science-fictionschrijver Gene Roddenberry van tv-serie Star Trek was er niet geheel zonder reden vaag over, over de vraag hoe teleportatie nou eigenlijk werkt. Beam me up, Scotty, zegt captain Kirk in zijn polstelefoon tegen het moederschip dat cirkelt om de planeet waarop hij staat. Waarna hij ter plekke desintegreert en tegelijk aan boord van de Enterprise weer materialiseert.

Ongeschonden en alsof het de gewoonste zaak van de wereld is. Zo veel was duidelijk. Maar Kirk noch Scotty konden precies uitleggen hoe dat allemaal in zijn werk ging.

Nu speelt Star Trek - in de originele versie - in de 23ste eeuw, dus de hedendaagse fysici hebben nog even de tijd om met een goed recept voor teleportatie te komen. Maar het publiek en de media lijken niet te kunnen wachten.

Vorige week verschenen in het toonaangevende Britse weekblad Nature (17 juni) artikelen van twee concurrerende groepen fysici die hetzelfde claimden: dat ze teleportatie hadden bereikt met atomen. Het nieuws haalde talloze kranten, websites en televisiestations. Teleportatie, aldus het nieuws, was nu toch echt realiteit geworden!

Quantumtheoreticus prof. dr. Gerard Nienhuis van de Leidse universiteit heeft het allemaal geamuseerd aangezien. 'Het was een beetje een hype, maar dat is teleportatie altijd wel', zegt hij luchtig.

Nienhuis: 'Het enige wat je erover kunt zeggen, is dat het nog wel meevalt, met die hele teleportatie. Van astronauten is geen sprake. Strikt genomen is er zelfs geen echt atoom verzonden, maar de energietoestand. En tele is ook wat overdreven, de overbrugde afstand is geloof ik net tien micrometer.'

Maar begrijp hem goed, hij is heel enthousiast over de gepubliceerde resultaten van de Amerikaanse en Oostenrijkse onderzoekers, respectievelijk van het norminstituut NIST in Boulder, Colorado, en de universiteit van Innsbruck. 'Vakwerk', is zijn oordeel.

Teleportatie met lichtdeeltjes, fotonen, was al sinds 1997 realiteit, dankzij een baanbrekend experiment van de Nederlander (nu in Amerika) Dik Bouwmeester en Anton Zeilinger, destijdsook al uitgevoerd in Innsbruck. 'Van licht naar materie was een heel logische stap', zegt Nienhuis. 'In theorie kon het. Maar je kunt wel zo veel uitrekenen. Het wachten was op iemand die het daadwerkelijk in het lab liet zien.'


Atomen, de groep in Boulder gebruikt berillium, de groep in Insbruck calcium, hebben daarbij een belangrijk voordeel. Lichtdeeltjes worden altijd vernietigd als ze na hun teleportatie worden bekeken. Geteleporteerde atomen blijven daarentegen bestaan, hooguit in een iets andere toestand dan toen ze nog niet bekeken waren.

Wat dat betreft lijkt quantumteleportatie met behulp van atomen al weer iets meer op gewoon faxen: er wordt een origineel gescand, de informatie wordt overgebracht op een blanco object elders, dat daarna sprekend op het origineel lijkt.

Dat is ook wat de onderzoekers in Boulder en Insbruck deden: ze zapten geen echt atoom van de ene plaats naar de andere, maar een energietoestand van het ene atoom naar het andere. Daarbij gebruikten ze ingewikkelde opstellingen waarin losse atomen gevangen gehouden kunnen worden in een kruisvuur van laserbundels. Interessant is dat het hele proces zich voltrekt met één druk op de knop, net als bij alledaagse faxen.

Maar er blijven toch vooral veel fundamentele verschillen. Scannen van een quantum-object verstoort onvermijdelijk de eigenschappen ervan. Van een exacte kopie kan daardoor bij recht-toe recht-aan faxen geen sprake zijn: het origineel is al onleesbaar voordat alle informatie verzonden kon worden.

In 1983 bedacht wiskundige Charles H. Bennett van IBM in Yorktown Heights in New York echter een truc, waarmee dit probleem omzeild zou kunnen worden. Daarvoor gebruikte hij handig een andere verbluffende eigenschap van de quantumwereld: entanglement geheten.

Entanglement, vervlochtenheid is een Nederlands woord dat een beetje in de buurt komt, is het verschijnsel dat twee deeltjes die ooit als paar met eigenschap AB zijn geprepareerd, daarna elkaars lotgevallen blijven voelen. Wordt aan het ene deeltje quantumeigenschap A gemeten, dan zal die bij het andere deeltje altijd B blijken - hoe ver ze ook uit elkaar zijn gehaald.

Deze spookachtige beïnvloeding op afstand was voor Albert Einstein in de vorige eeuw reden om bitter weinig met de quantumtheorie op te hebben. Invloed uitoefenen, zo was immers de basis van zijn relativiteitstheorie, kon hooguit met de snelheid van het licht.

'Het enige dat je onderhand moet vaststellen is dat entanglement toch echt in de werkelijkheid bestaat', zegt Nienhuis. Ook bij hem in het lab in Leiden wordt het effect dagelijks in het lab gemeten, in zijn geval aan fotonen. 'Het gekke is dat je er nooit helemaal aan went. Sterker, hoe vaker je het ziet gebeuren, hoe meer je je realiseert dat je eigenlijk niet begrijpt hoe het kan.' In die zin zijn alle experimenten ermee ook voer voor wetenschapsfilosofen en onderzoekers van de grondslagen van de quantumtheorie.

Toch is uitgerekend die vreemde vervlochtenheid, die door de quantumtheorie wel perfect te berekenen is, de sleutel naar praktische quantumteleportatie.Het schema dat Bennett destijds in 1993 in New York op een velletje papier krabbelde, was simpel. Prepareer een paar deeltjes in vervlochten toestand, meet de toestand van een van beide samen met het deeltje waarvan je eigenschappen wilt versturen, en meet de toestand van het andere deeltje pas op als het op de plaats van bestemming is. Het deeltjespaar fungeert daarbij als twee faxen, een zender en een ontvanger die elkaar altijd weten te vinden.

In de experimenten in Boulder en Innsbruck werd op deze manier de inwendige energietoestand van een aangeslagen atoom overgezet op een blanco atoom dat iets verderop in dezelfde proefopstelling werd vastgehouden. De betrouwbaarheid van de kopie was niet volledig, maar 75 tot 80 procent getrouwheid werd wel gehaald. Een van de beperkingen daarbij is dat de gebruikte energietoestand van het vervlochten paar maar iets meer dan een seconde is. Niet erg praktisch, schat Nienhuis in.

De onderzoekers van NIST en Innsbruck geven in hun artikelen hoog op van de mogelijke toepassing van hun kunststukje in quantumcomputers. Dat zijn rekenmachines waarin handig gebruik wordt gemaakt van het feit dat quantum-objecten tegelijk verschillende identiteiten hebben, tot er bij meting één wordt uitgepikt. Door handig manipuleren kunnen daarmee talloze varianten van eenzelfde berekening tegelijkertijd worden uitgevoerd, in plaats van één voor één.

Dat gaat supersnel, maar een van de problemen van een praktisch bruikbare quantumcomputer is het inwendige versturen van informatie. Daarbij zou teleportatie een oplossing kunnen bieden, aldus de onderzoekers.

In Leiden komt dat op Nienhuis iets te vaag over. 'Quantumrekenen is natuurlijk het buzz word, maar over meer dan quantumcommunicatie gaat het eigenlijk niet. Wat overigens minstens zo interessant is. Er zijn al banken die er mogelijkheden in zien bij het coderen van geheim dataverkeer.'

Nienhuis wijst wel op een praktisch probleem van de proeven in Nature: het zendende atoom moet natuurlijk in de buurt van het te verzenden atoom zijn. Captain Kirk moet dus zijn eigen gewicht aan blanco verstrengelde atomen met zich meeslepen, toch zeker een stuk of honderd miljard triljard, om op het juiste moment er zichzelf mee naar de Enterprise te zappen.

Copyright: de Volkskrant