Gedoofd licht bestaat meteen elders

Fysici in Innsbruck planten de eigenschappen van het ene lichtdeeltje over op een ander deeltje elders in het lab. Kan niet, dacht men....

MARTIJN VAN CALMTHOUT

WAT IS essentiëler: materie of informatie over materie? Is een atoom meer dan wat wij ervan kunnen weten?

Het lijkt filosofische scherpslijperij voor de academische bittertafel, maar steeds meer natuurkundigen beginnen te geloven dat materie als zodanig heeft afgedaan. Informatie geeft materie identiteit, denken ze, en niet omgekeerd.

De Nederlandse natuurkundige dr. Dik Bouwmeester kan ze geen ongelijk geven. Aan de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk transporteert hij sinds enige tijd dagelijks identiteiten van deeltjes van de ene hoek van zijn laboratorium naar de andere. 'Niets let je te zeggen dat je het deeltje van de ene plek naar de andere transporteert zonder het fysiek te verplaatsen', meent Bouwmeester.

Bouwmeester, in Leiden en Oxford opgeleid tot een theoreticus die ook graag in het lab staat, is sinds anderhalf jaar als postdoc verbonden aan de groep van prof. Anton Zeilinger, een wereldvermaard specialist in quantumoptica. Al enkele jaren is Zeilinger geobsedeerd door een voorspelling van een groep theoretici onder leiding van Charles Bennett van IBM in New York. Bennett rekende voor dat het mogelijk moet zijn de identiteit van een quantumdeeltje onverstoord te verzenden.

Wie denkt in termen van papieren blauwdrukken en enveloppen die op de post gaan, zal daar niets vreemds in zien. Maar in de wereld van de elementaire deeltjes gelden andere wetten. Een onbespied deeltje verkeert daar in tal van verschillende toestanden. Pas een meting pikt één daarvan op en vernietigt vanzelf en definitief alle andere. Wie dus de identiteit van - bijvoorbeeld - een foton, een lichtdeeltje, wil meten om het te kunnen noteren en verzenden, vernietigt bijna alles wat er over dat ene deeltje is te weten.

Bennett stelde in 1993 op een conferentie over quantummechanica vanuit de zaal een vraag aan een spreker, die binnen de kortste keren de hele bijeenkomst opeiste: is het niet mogelijk om quantuminformatie over te planten, zonder die eerst te meten, en de boel te vernietigen? Bouwmeester: 'En binnen tien dagen lag het antwoord er: ja, dat kan, als je slim gebruik maakt van een ander merkwaardig effect uit de quantumwereld: entanglement.'

Entanglement, verstrengeling van de eigenschappen van twee of meer deeltjes, is het idee in de quantummechanica dat van sommige deeltjes-paren alleen een gezamenlijke eigenschap vast staat.

Ontstaan bijvoorbeeld uit een deeltje zonder draaiing (spin) twee nieuwe, draaiende deeltjes, dan moeten die precies tegengestelde spins hebben: hun gezamenlijke draaiing moet nul zijn. Volgens de theorie heeft echter niet het ene deeltje een spin linksom en het andere rechtsom. Beide deeltjes hebben in potentie allebei de draaiingen, tót een meting van één van beide de spin vaststelt. Vanaf dat moment heeft de partner onherroepelijk de tegengestelde spin. Meting zal dat altijd laten zien, hoe ver de deeltjes ook van elkaar verwijderd zijn.

De experimenten in Innsbruck met laserlicht laten zien dat verstrengeling een geschikt voertuig is om quantuminformatie te transporteren. Maar vanzelf ging dat niet.

Bouwmeester: 'Zeilinger en zijn team werkten er al jaren met de hoogste prioriteit aan, maar met de oude apparatuur was er weinig vooruitgang geboekt. Er was nieuwe apparatuur besteld, maar in de tussentijd zag ik mogelijkheden om het toch nog eens te proberen met de oude spullen.'

De Nederlandse postdoc kleedde de wirwar van lasers, lenzen, kristalen, prisma's en detectoren tot op het bot uit, zodat er zo min mogelijk storingen en verzwakkingen meer konden optreden. Metingen met extreem zwak licht duurden zo geen weken meer, zoals voorheen, maar slechts een etmaal.

Bouwmeester liep vorig najaar, na maanden vruchteloos experimenteren, op een ochtend het lab binnen en zag dat er dankzij al die ingrepen die nacht was gebeurd wat niemand meer had verwacht: de toestand van lichtdeeltjes was over een afstand van enkele meters overgebracht, zonder dat er door een meting informatie verloren was gegaan. Bouwmeester: 'De dozen met de nieuw bestelde apparatuur stonden inmiddels om de oude opstelling heen.'

Half december publiceerden Zeilinger en zijn team een artikel in het weekblad Nature over de vondst en sindsdien is de hel losgebroken. Voor zover Zeilinger niet de hele wereld tegelijk kan afreizen voor colloquia, neemt Bouwmeester de honneurs geregeld waar. Vorige week was hij even in Nederland. Daarna wachtten Scandinavië, Engeland, India en China. 'Hooguit kom ik in een vrij weekend nog wel eens aan meten toe.'

Het spectaculaire resultaat van de proeven in Innsbruck berust op de mogelijkheid twee fotonen te maken die via entanglement met elkaar verbonden zijn en blijven. Een korte laserpuls wordt daartoe door een speciaal soort kristal in paren fotonen gesplitst.

Eén van de twee wordt via spiegels en lenzen samengebracht met een foton waarvan de identiteit moet worden overgebracht: het proefkonijn. Door een subtiele meting aan het nieuw samengebrachte paar wordt het proefkonijn vernietigd, maar op een manier die het toegevoegde foton - opnieuw via verstrengeling - een andere identiteit geeft.

Daarmee krijgt ook het lotsverbonden foton elders in het lab andere eigenschappen. Met een woud van abstracte berekeningen kan Bouwmeester laten zien dat die eigenschappen altijd dezelfde zijn als die van het originele proefkonijn. Metingen bevestigen dat dagelijks.

Zeilinger verklaarde kortelings in het Britse weekblad New Scientist dat hij verwacht dat na fotonen binnenkort ook hele atomen en grote moleculen of zelfs kleine virussen kunnen worden geteleporteerd. Bouwmeester acht het niet uitgesloten. Vorig jaar verscheen in het vakblad Physical Review Letters een artikel van een Parijse groep, die meldde dat ook de toestanden van hele atomen verstrengeld kunnen worden. 'Dat is de eerste stap op weg naar teleportatie van atomaire toestanden', zegt Bouwmeester.

Teleportatie van mensen, zoals in Star Trek, is dus binnen handbereik? Bouwmeester: 'Ik laat bij mijn voordrachten altijd een sheet zien met hoofdpersonen uit de serie, maar alleen om te melden dat ik het daar dus niet over ga hebben. Het is belangrijk te beseffen dat er geen materie wordt verplaatst, maar quantuminformatie. Onze stelling is alleen dat je wel degelijk het deeltje transporteert als je alles wat er te weten is, overzet op een ander deeltje.'

Wat niet wil zeggen dat er geen praktische belangstelling bestaat voor het spectaculaire Oostenrijkse resultaat. Wereldwijd is de laatste jaren een geweldige activiteit op gang gekomen rond quantuminformatie.

Bennetts betrokkenheid vanuit IBM was al geen toeval. Elektronische computers, waarin informatie wordt opgeslagen en verwerkt als patronen van enen en nullen in magnetische geheugens, naderen hun fysieke grenzen.

Volgens sommige theoretici heeft daarom quantumrekenen de toekomst. Doet een conventionele computer zijn berekeningen één voor één, in een quantumcomputer is een bit niet een 1 of 0, maar een mengsel van beide tot er een meting plaatsvindt. Die vaagheid maakt dat er in één handeling twee berekeningen kunnen worden uitgevoerd, en nog veel meer door combinaties van meer bits. Supersnel rekenen komt zo binnen handbereik. En daarbij kan het overbrengen van onbekende informatie via quantumteleportatie een belangrijke rol gaan spelen.

Maar er zijn ook filosofische consequenties. In 1936 beschreef Albert Einstein met Podolsky en Rosen in een beroemd geworden gedachtenexperiment waarom Bohrs idee van de quantummechanica naar zijn overtuiging niet kon deugen. Breng, zei hij, twee verstrengelde deeltjes ver uit elkaar en leg met een meting de toestand van de ene vast. Omdat ze verstrengeld zijn en blijven, neemt het andere deeltje ogenblikkelijk ook zijn toestand aan. Maar dat kan niet, meende Einstein, want sneller communiceren dan met de lichtsnelheid bestaat niet.

Experimenten, begin jaren tachtig op centimeterschaal en onlangs nog over een afstand van tien kilometer bij Genève, hebben inmiddels hoog en breed aangetoond dat Einstein ongelijk had. Het tweede deeltje weet aantoonbaar accuut wat het eerste overkomt. Maar welbeschouwd is daar ook helemaal niets tegen, zegt Bouwmeester nu.

Immers, onze informatie geeft de materie vorm, in plaats van omgekeerd. En wíí voldoen wel netjes aan de relativiteitstheorie.

Bouwmeester: 'Als ik de toestand van het ene deeltje hier en nu meet, weet ík ogenblikkelijk ook de toestand van het andere deeltje, waar in het heelal dat zich verder ook bevindt. Alleen is daar niets paradoxaals aan. Om te controleren of mijn gedachte klopt, kan ik er nog steeds met hooguit de lichtsnelheid heen. Precies zoals Einstein eist.'

Martijn van Calmthout

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden