8 vragen over het ‘spooky’ Delftse quantumexperiment

kijkmagazine

2015-10-22 15:15:28

Ronald Hanson en team

Deze week groot in het nieuws: een experiment gedaan aan de TU Delft zou hebben bewezen dat quantummechanica ‘spooky’ is. Wat wil dat precies zeggen? En ligt er nu een Nobelprijs in het verschiet voor de verantwoordelijke onderzoekers? Acht vragen beantwoord.

Je leest overal dat in Delft is bewezen dat quantummechanica ‘spooky’ is. Wat bedoelen ze daarmee?

Het woord spooky komt uit een quote van Einstein. Die bedacht, samen met collega’s Boris Podolski en Nathan Rosen, in de jaren dertig de zogenoemde EPR-paradox (vernoemd naar de eerste letters van de achternamen van de drie natuurkundigen). Kort door de bocht houdt dit gedachte-experiment het volgende in. Je begint met twee deeltjes die samen een ‘quantumkoppeltje’ vormen; die, zoals dat heet, met elkaar zijn verstrengeld. Haal je vervolgens zo’n koppeltje uit elkaar en doe je een meting aan het ene deeltje, dan heeft dat direct invloed op het andere deeltje – hoe ver weg dat andere deeltje op dat moment ook is. Dat vreemde verschijnsel noemde Einstein een spooky action at a distance; een spookachtige werking op afstand. En die werking is nu op een nieuwe manier aangetoond, door de Delftse natuurkundige Ronald Hanson en zijn team.

Dus Einstein had gelijk?

Ja en nee. Het effect dat Einstein samen met Podolsky en Rosen beschreef, vindt daadwerkelijk plaats, dus in die zin redeneerde het drietal correct. Maar de gedachte achter hun redenering was juist dat die ‘spookachtige interactie’ niet zou kunnen plaatsvinden, onder andere omdat er dan een signaal sneller dan het licht van het ene naar het andere deeltje lijkt te gaan. In plaats daarvan dacht Einstein dat de quantummechanica niet het hele verhaal kon zijn. Hij meende dat er een dieperliggende theorie is die het spookachtige element uit het bovenstaande gedachte-experiment verwijdert en zo de EPR-paradox omzeilt. Op dat punt had Einstein dus geen gelijk.

En dat wisten we nog niet voordat het Delftse experiment werd gedaan?

Nou, in het verleden zijn al beroemde experimenten gedaan die duidelijk maakten dat verstrengelde deeltjes elkaar op afstand kunnen beïnvloeden, onder meer door de Fransman Alain Aspect (lees hier een deel van ons interview met hem). Alleen waren er bij die experimenten nog uitwegen te bedenken; zogenoemde loopholes. Bij het Delftse experiment is daar als het goed is geen sprake meer van, waardoor het de eerste “loophole-vrije” bevestiging is van Einsteins spooky action at a distance.

Wat voor loopholes zijn dat dan?

Dat zijn er twee. De eerste is de detectie-loophole. Die houdt in dat je bij zo’n experiment altijd een deel van de deeltjes niet detecteert. Je gaat er dan maar van uit dat de deeltjes die je wél ziet het hele verhaal vertellen, maar het zou in theorie kunnen dat die niet representatief zijn. Een tweede is de communicatie-loophole. Als de twee verstrengelde deeltjes zich relatief dicht bij elkaar bevinden, is het lastig uit te sluiten dat ze op een andere manier informatie hebben uitgewisseld; trager dan het licht. Eerdere experimenten zijn er wel al in geslaagd een van beide loopholes te dichten, maar niet allebei tegelijk. En daar zijn Ronald Hanson en collega’s in Delft nu wel in geslaagd.

En hoe zijn dan beide loopholes tegelijk gedicht?

Allereerst is er een extra component in het experiment opgenomen: een onderdeel dat vaststelt of het paar deeltjes waar de meting op wordt verricht wel écht is verstrengeld. Zo niet, dan wordt het gelijk afgekeurd. Het experiment wordt vervolgens alleen uitgevoerd met de geslaagde deeltjeskoppels, waarmee de detectie-loophole is gedicht. Daarnaast is de afstand tussen de twee deeltjes in het Delftse experiment heel groot: 1,3 kilometer. Dat betekent dat, als je maar snel genoeg meet (dat wil zeggen: in 4,27 miljoenste van een seconde), er niet voldoende tijd is voor deeltje A om een signaal naar deeltje B te sturen dat trager gaat dan het licht. Dat draait de communicatie-loophole de nek om.

Hoe hebben de onderzoekers zo’n grote afstand tussen die deeltjes weten te krijgen?

Met een slim trucje. Ze hebben niet twee deeltjes verstrengeld om vervolgens het ene deeltje houden en het andere naar een locatie 1,3 kilometer verderop te brengen. In plaats daarvan begonnen deeltje A en deeltje B met 1,3 kilometer ertussen en werden ze elk apart met een foton (lichtdeeltje) verstrengeld. Die twee lichtdeeltjes werden vervolgens via glasvezelkabels bij elkaar gebracht op een locatie halverwege en daar met elkaar verstrengeld. Via die verstrengelde fotonen waren deeltje A en B vervolgens ook gelijk met elkaar verstrengeld, zonder dat ze ooit van hun plek hoefden te komen.

En hoe reageert de wetenschappelijke gemeenschap?

Enthousiast, voornamelijk. “Dit is absoluut een mijlpaal binnen de quantumfysica”, zegt bijvoorbeeld de Australische natuurkundige Howard Wiseman tegenover Science. En quantumteleportatiegrootheid Anton Zeilinger noemt het een “echt ingenieus en mooi experiment” tegenover Nature. Wel gaat het om slechts 245 bestudeerde paren deeltjes. Dat relatief kleine aantal leidt ertoe dat als er in werkelijkheid géén ‘spookachtige interactie’ is, zoals Einstein meende, er een kans van 4 procent is dat het Delftse experiment tóch het beschreven resultaten mat.

Maar stel dat het resultaat overeind blijft… Nobelprijs voor Delft?

Dat is niet uitgesloten. Een mogelijkheid is bijvoorbeeld dat Hanson de Nobelprijs voor de natuurkunde krijgt samen met Alain Aspect en een derde natuurkundige. Die derde zou dan bijvoorbeeld John Clauser kunnen zijn, een voorganger van Aspect, of de al genoemde Zeilinger. (Een Nobelprijs gaat naar maximaal drie personen, dus Clauser, Aspect, Zeilinger en Hanson kunnen de prijs niet met zijn vieren krijgen.)

En hoe verandert de wereld verder door deze ontdekking?

De meeste natuurkundigen zijn weliswaar onder de indruk van het resultaat, maar niet echt verbaasd over de uitkomst. Ook op basis van de experimenten van Aspect en consorten nam het overgrote deel van de fysici namelijk al aan dat de natuur toch echt gebruikmaakt van de bizarre werkwijze die Einstein, Podolsky en Rosen bedachten. Wel is het Delftse experiment, in de woorden van Zeilinger, “het ultieme bewijs dat quantumcryptografie veilig kan zijn, zonder mitsen en maren”. Of het resultaat ook echt zal leiden tot een praktische toepassing binnen dit vakgebied, is echter nog even vers twee. En helaas: de spooky action at a distance klinkt misschien als een signaal dat sneller dan het licht gaat, maar in de praktijk kun je er niet daadwerkelijk informatie mee uitwisselen. Dat zorgt er ook voor dat Einsteins paradox, hoezeer hij ook tegen zijn intuïtie indruiste, uiteindelijk niet in tegenspraak is met zijn eigen relativiteitstheorie.

Bronnen: ArXiv.org, Nature News, Science, Popular Science

Beeld: Hanson Lab/TU Delft







Podcast KIJK en luister via JUKE



Meer Achtergronden