Waterdicht experiment bevestigt "spookachtige werking op afstand"

Nederlandse onderzoekers hebben een zo goed als waterdicht experiment uitgevoerd dat aantoont dat de door Albert Einstein gehate "spookachtige werking op afstand" tussen verstrengelde kwantumdeeltjes wel degelijk bestaat. Dat kan leiden tot nieuwe cryptografische systemen om gegevens te beschermen en waarnemers sluiten ook niet dat een van de auteurs van de studie wel eens in aanmerking zou kunnen komen voor een Nobelprijs.
Science Photo Library
Een voorstelling van het vreemde fenomeen "verstrengeling".

Het is een zwarte dag voor Albert Einstein en voor hackers. De meest rigoureuze test van de kwantumtheorie die ooit is uitgevoerd, heeft bevestigd dat de "spookachtige werking op afstand" diep ingeworteld zit in de kwantumwereld.

Einstein had een hekel aan die "spukhafte Fernwirkung", zoals hij ze noemde, het fenomeen dat als men een kwantumobject manipuleert, dat onmiddellijk een invloed lijkt te hebben op een ander object dat zich ver weg kan bevinden.

Het experiment, dat uitgevoerd is door onderzoekers van het Hanson Lab aan de Technische Universiteit Delft, zou de laatste nagel in de doodskist kunnen zijn van modellen van de atomaire wereld die beter aansluiten bij onze intuïtie dan de standaard kwantummechanica, zeggen sommige natuurkundigen. En het kan in de toekomst ingenieurs ook toelaten om een nieuwe reeks ultra-veilige cryptografische instrumenten te ontwikkelen.

"Vanuit een fundamenteel gezichtspunt gezien, wordt hier echt geschiedenis geschreven", zegt Nicolas Gisin, een kwantumwetenschapper aan de universiteit van Genève, in het tijdschrift Nature.

De ergernis van Einstein

De kwantumwereld is een vreemde wereld met regels die ingaan tegen onze intuïtie. Zo kunnen objecten in verschillende staten tegelijk verkeren: een atoom kan bijvoorbeeld op twee plaatsen tegelijk zijn, of een spin hebben in tegengestelde richtingen.

Wanneer men een object observeert of meet, dwingt men het in een welbepaalde staat te springen. Bovendien kunnen de eigenschappen van verschillende objecten "verstrengeld" geraken, wat betekent dat hun staat verbonden is: als een eigenschap van een van dergelijke objecten gemeten wordt, worden de eigenschappen van al zijn verstrengelde "tweelingen" ook meteen vastgezet.

Einstein, die niet alleen de relativiteitstheorie ontwikkelde, maar ook mee aan de basis lag van de kwantumtheorie, had een hekel aan dit idee omdat het er op leek dat deze spookachtige invloed onmiddellijk overgebracht werd tussen verstrengelde deeltjes, zelfs als die ver van elkaar verwijderd waren. En dat impliceert dat de spookachtige invloed een inbreuk kan maken op de universele regel dat niets sneller kan gaan dan de snelheid van het licht.

Einstein bedacht dan ook de theorie dat kwantumdeeltjes vastgelegde eigenschappen hebben voor ze gemeten worden, die verborgen variabelen genoemd worden. En hoewel deze variabelen niet gekend kunnen worden, stelde Einstein dat ze verstrengelde deeltjes voorprogrammeren om zich te gedragen alsof ze elkaar beïnvloeden.

Bell-test

In de jaren 60 stelde de stelde de Ierse natuurkundige John Bell een test voor die het onderscheid zou kunnen maken tussen de verborgen variabelen van Einstein en de spookachtige interpretatie van de kwantummechanica. Hij berekende dat de verborgen variabelen de correlaties - de samenhang tussen de verstrengelde deeltjes - maar tot een bepaalde maximumlimiet kunnen verklaren. Als die limiet overschreden wordt, dan moet het model van Einstein fout zijn.

De eerste Bell-test werd uitgevoerd in 1981, door het team van Alain Aspect in het Institut d'Optique in Palaiseau in Frankrijk. Sindsdien zijn er nog veel andere uitgevoerd, en ze gaven altijd een uitslag die boven de limiet uitkwam en dus de spookachtige interpretatie steunde.

Maar in die experimenten zaten steeds "mazen", achterpoortjes die maakten dat de onderzoekers nooit helemaal in staat waren om Einsteins visie volledig uit te sluiten. Experimenten waarbij verstrengelde fotonen gebruikt worden, staan bloot aan de "waarnemings-achterpoort": niet alle fotonen die geproduceerd worden bij het experiment worden waargenomen, en soms gaat tot 80 procent van de fotonen verloren. De onderzoekers moeten dus aannemen dat de eigenschappen van de fotonen die ze wel waarnemen, representatief zijn voor het gehele pakket aan fotonen.

Om de "waarnemings-achterpoort" te omzeilen, gebruiken natuurkundigen vaak deeltjes die makkelijker te volgen zijn dan fotonen, zoals atomen. Maar het is dan weer moeilijk om atomen van elkaar te scheiden over een zekere afstand zonder hun verstrengeling te verbreken. Dat opent een "communicatie-achterpoort": als de verstrengelde atomen te dicht bij elkaar liggen, dan zou in principe een waarneming van een deeltje een ander kunnen beïnvloeden zonder de limiet van de snelheid van het licht te doorbreken.

Achterpoortjes gesloten

In hun studie, die is verschenen in arXiv maar nog niet onderworpen is aan peer review, beschrijft het team van Ronald Hanson van Delft het eerste Bell-experiment dat zowel de waarnemings-achterpoort als de communicatie-achterpoort sluit. Het team gebruikte een vernuftige techniek die "uitwisseling van verstrengeling" (entanglement swapping) genoemd wordt om de voordelen te combineren van het gebruiken van licht en materie.

De onderzoekers begonnen met twee niet verstrengelde elektronen in diamant-kristallen in verschillende laboratoria op de campus in Delft, zo'n 1,3 kilometer van elkaar. Elk elektron werd dan individueel verstrengeld met een foton, en de beide fotonen werden dan naar een derde locatie geschoten. Daar werden de twee fotonen met elkaar verstrengeld - en dat maakte dat hun partner-elektronen eveneens verstrengeld raakten.

Dit werkte niet iedere keer. In totaal slaagde het team er in 245 paren verstrengelde elektronen te creëren in negen dagen tijd. De bevindingen van het team kwamen ook uit boven de limiet de Bell, zodat opnieuw het standaard model van de kwantumfysica gesteund wordt, en Einsteins interpretatie niet. Bovendien sloot het experiment de twee achterpoortjes: omdat de elektronen makkelijk op te volgen zijn, was er geen probleem met de waarnemings-achterpoort, en omdat ze ver genoeg van elkaar verwijderd waren, speelde ook de communicatie-achterpoort niet.

Laatste achterpoort

Er blijft nu nog één, tamelijk filosofische, achterpoort open, die voor het eerst opgemerkt werd door Bell zelf, zegt Anton Zeilinger, een kwantumspecialist bij het Institut für Experimentalphysik van de Universität Wien. Dat is namelijk de mogelijkheid dat de verborgen variabelen van Einstein op een of andere manier de keuze kunnen beïnvloeden van de onderzoekers in verband met welke eigenschappen ze gaan meten, en dat de variabelen hen op die manier misleiden om te denken dat de kwantumtheorie juist is.

Matthew Leifer, een kwantumnatuurkundige bij het Perimeter Institute in Waterloo for Theoretical Physics in Ontario, ligt niet wakker van die "keuzevrijheid-achterpoort". "Het is mogelijk dat er een soort van superdeterminisme bestaat, zodat de keuze van de instellingen voor de metingen al vastgelegd werd bij de Big Bang", zo zegt hij in Nature. "We kunnen nooit bewijzen dat dit niet het geval is, dus ik denk dat we met een gerust hart kunnen zeggen dat de meeste natuurkundigen zich daar geen al te grote zorgen over maken."

Leifer voegt daar overigens aan toe dat het experiment zeer belangrijk is. "Het zou me niet verbazen als we een van de volgende jaren een van de auteurs van deze studie, samen met sommige auteurs van de oudere experimenten, dat van Aspect en anderen, genomineerd zien worden voor een Nobelprijs", zegt hij. En ook Zeilinger is onder de indruk: "Het is een echt ingenieus en prachtig experiment", zo zegt hij in Nature.

HARALD RITSCH/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Cryptografie

Een Bell-test zonder achterpoortjes heeft cruciale implicaties voor kwantum-cryptografie, zegt Leifer. Verschillende bedrijven verkopen al systemen die kwantummechanica gebruiken om hackers te beletten gegevensverkeer af te luisteren. De systemen produceren verstrengelde fotonenparen, en sturen een foton van elk paar naar de eerste gebruiker, en het andere foton naar de andere gebruiker in de communicatie. De twee deelnemers zetten die fotonen dan om in een cryptografische sleutel die zij alleen kennen. Omdat de eigenschappen van een kwantumsysteem verstoord worden als iemand ze observeert, klinkt er een alarm als iemand probeert de communicatie af te luisteren.

Maar achterpoortjes, en vooral de waarnemings-achterpoort, zetten de deur open voor gesofisticeerde hackers. Door de achterpoort kunnen kwaadwillende bedrijven systemen verkopen waarvan de gebruikers denken dat ze kwantum verstrengelde deeltjes krijgen, terwijl ze in werkelijkheid sleutels krijgen die het bedrijf kan gebruiken om hen te bespioneren. 

In 1991 merkte kwantumnatuurkundige Artur Ekert op dat het integreren van een Bell-test in het cryptografisch systeem er borg voor zou staan dat het systeem een authentiek kwantumproces gebruikt. Omdat dat zou opgaan, is het echter nodig dat de Bell-test geen achterpoortjes bevat, die een hacker zou kunnen uitbuiten. Het experiment in Delft is "het uiteindelijke bewijs dat kwantum cryptografie volledig veilig kan zijn", zegt Zeilinger.

In de praktijk zal het echter moeilijk zijn om het "uitwisselen van verstrengeling" toe te passen. Het team had meer dan een week nodig om enkele honderden verstrengelde elektronenparen te produceren, en om een kwantumsleutel te maken zouden er duizenden bits per minuut geproduceerd moeten worden, aldus kwantumnatuurkundige Nicolas Gissin, die ook een bedrijf voor kwantum cryptografie, ID Quantique, gesticht heeft in Genève. En zover staan we voorlopig dus nog lang niet. 

Meest gelezen