De TU Delft heeft voor eerst onomstotelijk het bestaan van kwantumverstrengeling aangetoond. Dit fenomeen, waarbij twee deeltjes instantaan elkaar kennen, was al langer bekend, maar in experimenten waren steeds 'loopholes' mogelijk, manieren waarop het onderzoek wellicht niet klopte. TU Delft wist als eerste alle loopholes uit te schakelen.

Kwantumverstrengeling was een tijdlang controversieel, omdat de informatieuitwisseling tussen de deeltjes onmiddelijk is, en dus sneller dan het licht. Dat leek natuurkundig onmogelijk; de lichtsnelheid geldt als absoluut maximum. In de wereld van de kwantummechanica werkt alles echter net iets anders, waardoor een fenomeen als verstrengeling mogelijk is.

Het principe werkt als volgt: deeltjes die op een zeker moment bij elkaar in de buurt zijn geweest, hebben een onzichtbare band met elkaar. In het geval van het Delftse experiment gaat het om de spin, het magnetische moment van een elektron. Zitten die twee elektronen bij elkaar, dan kunnen beide alleen een verschillende spin hebben. Nu blijkt dat die band blijft bestaan, zelfs als de deeltjes uit elkaars buurt verdwijnen; in principe zouden zo twee deeltjes aan verschillende kanten van het universum nog steeds van elkaars bestaan afweten. Het moment dat iemand dan de spin van het ene deeltje bekijkt, zal het verstrengelde deeltje dit meteen doorhebben zijn toestand aanpassen aan die van het bekeken partikel en bij meting een tegengestelde spin laten zien.

Te korte afstand

Het is een merkwaardig fenomeen dat zich lastig laat meten. Het grootste probleem is de afstand; veel experimenten die de verstrengeling aantoonden werden als onjuist gezien, omdat de afstand waarop de verstrengelde deeltjes werden gemeten te klein was; deeltje a zou (met de snelheid van het licht) nog informatie aan deeltje b kunnen geven op het moment dat a bekeken wordt, voordat de onderzoekers de informatie van beide deeltjes kunnen aflezen.

Deze 'locality loophole' vormt samen met de 'detection loophole', waarbij in experimenten niet álle verstrengelde deeltjes worden gemeten, de belangrijkste kritiek op dit soort experimenten. Het wachten was op een proef die beide loopholes omzeilt. Dat is het Hansonlab van de TU Delft als eerste ter wereld gelukt.

Hiervoor had de universiteit twee dingen nodig: genoeg afstand tussen de twee deeltjes, en een meetmethode die álle verstrengelpogingen mat. De campus van Delft bleek net groot genoeg; tussen het natuurkundegebouw en het reactorinstituut ligt 1,3 kilometer. Licht doet er net geen 4,3 µs over om die afstand af te leggen. Dat is meer dan de tijd die de Delftse onderzoekers, onder leiding van hoogleraar Ronald Hanson, nodig hebben om de staat van de deeltjes op beide plekken te meten.

Diamanten

Op beide locaties bevindt zich een diamantje. Daarin zit een stikstofatoom met daarnaast een lege plek waar een koolstofatoom hoort te zitten. Op die lege plek zit in plaats van een atoom een vrij elektron, met een bepaalde spin.

Door de vrije elektronen met een laser te beschieten produceren ze een foton, een lichtdeeltje waarvan de polarisatie afhangt van de spintoestand van het elektron. Die lichtdeeltjes worden vervolgens naar het midden van de campus gestuurd, waar ze elkaar ontmoeten; dit is de verstrengelingsstap. Zodra dat gebeurt doen de onderzoekers bij beide diamantjes een meting van de spin. Wat bleek? In 80 procent van de 245 metingen waren de spinrichtingen inderdaad tegengesteld aan elkaar. Dat is boven de kritieke grens van 75 procent die de onderzoekers aanhouden om verstrengeling 'bewezen' te achten.

Aangezien álle 245 pogingen geregistreerd werden, wist Delft ook de detection loophole te omzeilen. Hoewel wetenschappers het al lange tijd sterk vermoeden, betekent dat nu dat kwantumverstrengeling definitief echt bestaat, hoe vreemd het op het eerste gezicht ook lijkt.