Het is wel gelukt om een foton van de ene naar de andere oever van de Donau te teleporteren. Daarvoor is gebruikgemaakt van ‘verstrengeling’. Dit verschijnsel waarbij twee deeltjes onderling verbonden zijn, noemde Einstein reeds ‘een spookachtige werking op afstand’.

Prof.dr. Anton Zeilinger is hoogleraar Experimentele Fysica aan de Universität Wien en een van de meest toonaangevende kwantumfysici in de wereld. Een reputatie die niet in de laatste plaats is gebaseerd op het feit dat hij en zijn medewerkers er in 1998 als eersten in slaagden om een foton te teleporteren, dat wil zeggen over te brengen van de ene oever van de Donau naar de andere.

Star Trek

‘Voor trouwe kijkers van Star Trek is teleportatie geen onbekend fenomeen’, vertelt hij. ‘Sciencefictionauteurs hebben het verschijnsel uitgevonden om mensen in een handomdraai van de ene plaats naar de andere te brengen en zo het probleem van de enorme afstanden in de ruimte te overwinnen. ’

Om zijn medebemanningsleden op te stralen maakt Scotty uit Star Trek gebruik van een cabine waarin ze geheel worden gescand om alle noodzakelijke informatie te verzamelen. Op de gewenste bestemming verschijnt ogenblikkelijk een exacte replica van het betreffende bemanningslid. ‘Leuk gevonden natuurlijk’, zegt Zeilinger, ‘maar deze vorm van teleportatie is volgens het onzekerheidsprincipe van Heisenberg onmogelijk. Hij heeft bewezen dat het gelijktijdig vaststellen van de plaats en de snelheid van een object op atomair niveau niet kan. De makers van Star Trek realiseerden zich dat ook en hebben daarom de Heisenberg Compensator bedacht, een apparaat dat op miraculeuze wijze het onzekerheidsprincipe overwint.’

De Heisenberg Compensator behoort tot het domein van de sciencefiction, zeker als het gaat om het opstralen van ingewikkelde objecten, zoals een mens. Mocht er ooit zo’n compensator worden gebouwd, dan zal de werking waarschijnlijk berusten op het verschijnsel ‘verstrengeling’, ook wel het EPR-effect genoemd. De afkorting EPR staat voor de namen Einstein, Podolsky en Rosen, de auteurs die meer dan zeventig jaar geleden in 1935 een artikel publiceerden over wat Einstein zelf altijd een ‘spookachtige werking op afstand’ noemde.

In het artikel bespreken de drie fysici een gedachte-experiment waarbij ze uitgaan van twee identieke deeltjes, elektronen of fotonen, die met elkaar in wisselwerking zijn. Ze hebben een tegengestelde spin als het elektronen zijn, of eenzelfde polarisatierichting in het geval van fotonen. Als de deeltjes hun eigen weg gaan, is van beide exact de plaats vast te stellen. Dat geldt ook voor de impuls. Maar het is niet mogelijk om van de deeltjes afzonderlijk zowel plaats als impuls vast te stellen, want daar verzet Heisenberg zich tegen.

Stel, schrijven de drie fysici, dat van het ene deeltje de impuls en van het andere de plaats wordt gemeten. Omdat de beginsituatie van beide deeltjes bekend is, zou op die manier van allebei zowel de plaats als de impuls exact zijn vast te stellen. Klopt Heisenberg dan toch niet? Deze paradox is alleen te verklaren door aan te nemen dat ook de locatie van het ene deeltje vastligt op het moment dat de plaats van het andere wordt gemeten, onafhankelijk van de afstand tussen de deeltjes. Het betekent dat beide deeltjes op een bijzondere manier gekoppeld ofwel verstrengeld zijn, aldus Einstein, Podolsky en Rosen.

Fotonen

Een verstrengeld fotonenpaar kan worden gemaakt door een laserstraal te sturen door een speciaal kristal van (bèta-)bariumboraat. Het kristal zet het ultraviolette licht om in twee fotonen, waarvan de ene verticaal is gepolariseerd (de rode kegel) en de andere horizontaal (de blauwe kegel). Gaan fotonen langs het raakvlak van beide kegels (de groene lijnen), dan is hun afzonderlijke polarisatie onbekend. Wel is zeker dat beide polarisaties complementair zijn. Met andere woorden: de polarisatie van beide deeltjes is verstrengeld.

Zeilinger en zijn medewerkers hebben eind jaren negentig gebruikgemaakt van verstrengeling om het foton over de Donau te teleporteren. Daarvoor gebruikten ze een bron die paren van identieke fotonen, A en B, produceert. Deze zijn verstrengeld wat betreft hun polarisatierichting. Dat wil zeggen dat als de richting van het ene foton is bepaald, meteen ook die van het andere foton vastligt.

De verstrengelde fotonen A en B worden elk een andere kant op gestuurd via glasvezelkabels. In geval van het Donau-experiment was dat een paar honderd meter, maar het kan ook een oneindig grote afstand zijn. Om een derde foton X, waarvan de polarisatietoestand onbekend is, te teleporteren gebruikte Zeilinger de verstrengelde fotonen A en B als vehikel. Eerst wordt aan de ene kant van de oever de polarisatie gemeten van foton A en X gezamenlijk. ‘Daarmee is niet bekend wat van beide deeltje afzonderlijk de polarisatierichting is’, geeft Zeilinger aan. ‘We weten alleen of A en X dezelfde of een verschillende polarisatie hebben.’ Die meting heeft invloed op het verstrengelde deeltje B. Dat verandert zo dat het eenzelfde resultaat zal produceren wanneer het samen met deeltje X wordt gemeten. B bevat dus informatie over X. Om die informatie te bemachtigen heeft de waarnemer alleen de uitkomst van de eerdere meting aan de andere kant van de Donau nodig. Die krijgt hij via de telefoon. De uitkomst bepaalt of en hoe de polarisatierichting van B moet worden veranderd om dezelfde polarisatie te hebben als X. Deeltje X is dan geteleporteerd. ‘Dat wil dus niet zeggen dat de polarisatietoestand van X bekend is, want die weten we dan nog steeds niet. We weten alleen dat de toestand van X aan weerzijden van de Donau gelijk is.’

De ideale teleportatie gebruikt een verstrengeld deeltjespaar A en B als vehikel. Alice heeft een deeltje met een onbekende kwantumtoestand X (blauw). Ze meet de deeltjes A en X gezamenlijk, waarbij in dit geval vier mogelijke uitkomsten zijn. Alice informeert Bob over de uitkomst van de meting. Bob past op het deeltje B dat meetresultaat toe, waarna B precies dezelfde kwantumtoestand heeft als het originele deeltje X, waarmee X is geteleporteerd.
Het Donau-experiment van Anton Zeilinger begin met een korte ultraviolette laserpuls. Het kristal produceert een verstrengeld fotonenpaar. Bovendien creëert de laser na reflectie door de spiegel twee extra fotonen C en D. Het polarisatiefilter brengt deeltje D in een onbekende kwantumtoestand X. Alice combineert A en X met een bundelsplitser. Als ze in elke detector een foton waarneemt, geeft ze dat door aan Bob, die de polariserende bundelsplitser zo draait dat hij hetzelfde resultaat meet als Alice. Het deeltje dat hij meet is op dat moment identiek aan het deeltje X van Alice, oftewel X is geteleporteerd.

Informatie

De vraag is of niet alleen informatie is overgedragen, zij het buitengewoon gedetailleerde informatie. ‘Die constatering leidt tot de filosofische vraag naar het wezen van een object’, zegt Zeilinger. ‘Hoe weet je bijvoorbeeld dat je auto waar je ’s morgens in wegrijdt, dezelfde is die je de avond ervoor in de garage hebt gezet? Dat weet je omdat hij in alle opzichten hetzelfde is. Misschien is je auto ’s nachts atoom voor atoom vervangen, inclusief de kwantumtoestand. Is het dan een andere auto? Ik denk het niet. Identiteit houdt niet meer in dan dat alle kenmerken en eigenschappen hetzelfde zijn.’

Op de vraag of het ooit mogelijk zal zijn om, zoals in Star Trek, mensen te teleporteren, antwoordt Zeilinger met een hartgrondig nee. ‘Stel dat het mogelijk zou zijn om iemand in een kwantumtoestand te brengen – dat is het overigens niet –, dan nog is teleportatie niet mogelijk omdat je zo iemand moet verstrengelen met een ander mens. Dat betekent dat geen enkele eigenschap van die personen gedefinieerd is. Pas als de waarnemer vaststelt dat een van de twee zwart haar heeft, blijkt de ander dat ook te hebben. Alleen al daarom moet ik je afraden om geld te steken in bedrijven die beweren dat ze transportproblemen kunnen oplossen met teleportatie.’

De kwantumfysica is veel gekker dan iemand van ons zich kan voorstellen

Waar wel toepassingen liggen is in de informatietechnologie. Zowel in de VS als in Europa wordt onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van kwantumcryptografie, het versleutelen van berichten door gebruik te maken van verstrengelde fotonen. Met zijn toenmalige onderzoeksgroep van de Universität Innsbruck slaagde Zeilinger erin een methode te ontwikkelen om een gedigitaliseerde foto van de Venus van Willendorf, een beroemde archeologische vondst, te versleutelen. Daarbij maakte hij gebruik van verstrengelde fotonen, waarbij zender A en ontvanger B steeds een helft van zo’n paar krijgen. Vervolgens wordt het oorspronkelijke beeld gemengd met de ene helft van het fotonenpaar. De versleuteling is alleen op te heffen met het andere paar. Zelfs als het versleutelde bericht wordt onderschept, is het niet te ontcijferen zonder het bericht te vernietigen. Zeilinger verwacht dat kwantumcryptografie binnen enkele jaren zal worden toegepast.

Wereldbeeld

De kwantumfysica, en dan vooral het fenomeen ‘verstrengeling’, heeft vergaande gevolgen voor ons wereldbeeld. Daarvoor moeten we terug naar het artikel dat Einstein, Podolski en Rosen schreven over het ‘spookachtige effect op afstand’ op twee verstrengelde deeltjes. Einstein dacht, of beter gezegd hoopte, op een fysische verklaring van het fenomeen, bijvoorbeeld dat de deeltjes beschikken over eigenschappen die ervoor zorgen dat de meetuitkomst vastligt.

Halverwege de jaren zestig bewees fysicus John Bell echter dat die aanname niet kan kloppen. Daarmee legde hij een bom onder het klassieke wereldbeeld dat verschijnselen een eenduidige oorzaak hebben (realisme) en dat de lichtsnelheid niet overtreden kan worden (lokaliteit). Volgens Zeilinger is de ontdekking vergelijkbaar met die van Copernicus die vijfhonderd jaar geleden het oude wereldbeeld waarin de aarde het middelpunt is van het heelal, omver kegelde. ‘Het enige verschil is dat we nog geen alternatief wereldbeeld hebben dat met de feiten overeenstemt’, zegt Zeilinger.

Daarmee is niet gezegd dat een verklaring onmogelijk is. ‘Zoals elke theorie die door mensen is bedacht, zal ook de kwantumfysica op een gegeven moment worden vervangen door een andere theorie’, denkt Zeilinger, ‘waarschijnlijk door een theorie die nog gekker is dan de kwantumfysica. Voor het zover is, zullen we echter een plausibele verklaring moeten vinden voor het spook van Einstein. Pas als we onze filosofische noties over wat werkelijkheid is op een rijtje hebben, ontstaat ruimte voor nieuwe concepten en theorieën.’

Dit is een verkorte weergave van het artikel van Joost van Kasteren dat verscheen in De Ingenieur van november 2006.