'Spookachtige invloed op afstand' bestaat wel

Wetenschappers van de TU Delft hebben aangetoond dat elektronen in twee diamanten, gescheiden van elkaar door bijna anderhalve kilometer campus, een onzichtbare en instantane verbinding kunnen hebben. Hun experiment laat zien dat – hoe tegenintuitief ook - de 'spookachtige invloed op afstand' echt bestaat.

De kwantummechanica zegt dat een deeltje, zoals een elektron, zich in twee verschillende toestanden of op twee verschillende plaatsen tegelijk kan bevinden, zolang het niet wordt waargenomen. Dit fenomeen heet ‘superpositie’, en 'het gaat volledig tegen onze intuitie in', zegt Ronald Hanson, leider van het Delftse onderzoeksteam. Einstein geloofde deze voorspelling niet en noemde dit 'spookachtige invloed op afstand'.

De onderzoekers van de TU Delft laten nu zien dat Einstein daarin ongelijk had. Het experiment besluit niet alleen een van de meest intrigerende discussies in de natuurkunde, het schept ook de mogelijkheid voor een radicaal nieuwe manier voor beveiligde communicatie, die fundamenteel onmogelijk valt af te luisteren. Toekomstige kwantumcomputers kunnen in die communicatie informatie volledig veilig versturen door ‘teleportatie’.

Op twee plekken tegelijk?

De Delftse onderzoekers werkten met ‘spin’, een miniem magnetisch effectje van het elektron, dat omhoog of omlaag kan wijzen. Het kan ook allebei tegelijk zijn, in superpositie. 'Het wordt pas echt interessant als we twee elektronen ‘verstrengelen’, zodat ze samen een geheel vormen', zegt Ronald Hanson. 'Dan zijn ze allebei omhoog en omlaag tegelijk, maar zodra we er één waarnemen en ‘omhoog’ vinden, bepalen we ook dat de andere ‘omlaag’ staat. Dat effect is instantaan, zelfs als het andere elektron zich in een raket aan de andere kant van de Melkweg zou bevinden.'

Luchtfoto van de campus. De onderzoekers toonden aan dat elektronen in twee diamanten, gescheiden van elkaar door 1,280 kilometer campus, een onzichtbare en instantane verbinding kunnen hebben. Foto: Slagboom en Peeters Luchtfotografie BV.

Al in 1935, een paar jaar na de geboorte van de kwantumtheorie, was dit effect een reden om aan de theorie te twijfelen. Wetenschappers Einstein, Podolsky en Rosen, stelden in een beroemd artikel, bekend als het ‘EPR’-paper, dat de kwantummechanica weliswaar aantoonbare verdiensten had, maar vanwege de vreemde voorspelling van verstrengeling geen complete theorie kón zijn. Hun conclusie was dat er nog onontdekte eigenschappen van deeltjes moesten bestaan, zogenaamde ‘verborgen variabelen’. Als we die variabelen zouden kennen, dan is die ‘spookachtige invloed op een afstand’ niet meer nodig.

Bell Test

In 1964, toen CERN wetenschapper John Stewart Bell een experiment bedacht dat zou kunnen aantonen dat Einstein’s ‘spookachtige invloed” toch echt bestond: de Bell Test. Dit experiment voert op een slimme manier metingen uit aan de beide partners van een verstrengeld paar en sluit daarbij alle mogelijke ‘verborgen variabelen’ uit als verklaring. Tijdens de laatste vier decennia voerden wetenschappers vele Bell Tests uit, met resultaten die lieten zien dat de spookachtige actie op afstand inderdaad bestond. Maar elke Bell Test tot nu toe bevatte belangrijke achterdeurtjes, zogenaamde ‘loopholes’. Daardoor kon niet worden uitgesloten dat Einstein toch gelijk had.

Zo zou het kunnen, als de deeltjes te dicht bij elkaar zijn, dat er communicatie tussen hen was tijdens het experiment (de ‘locality loophole’) waardoor de waargenomen correlaties met een lokaal model verklaard kunnen worden. Een tweede achterdeur ontstaat als het experiment maar een klein deel van de verstrengelde paren echt kan meten. Dan kan het dat het waargenomen deel helemaal niet representatief is voor alle verstrengelde paren: de ‘detectie loophole’. Met de achterdeurtjes open kunnen verklaringen zonder “spookachtige invloeden” niet worden uitgesloten.

Loopholes

Een groep wetenschappers uit Nederland, Spanje en het Verenigd Koninkrijk is er voor het eerst in geslaagd alle loopholes tegelijkertijd te sluiten. De wetenschappers plaatsten twee diamantjes, elk met een ingevangen elektron, 1.3 km uit elkaar aan weerzijde van de universiteitscampus van de TU Delft. Ze verstrengelden beide elektronen en waren in staat een Bell Test uit te voeren.

'We hebben twee laboratoria, één in het natuurkundegebouw en een in het Reactor Instituut aan de andere kant van de campus. De grote afstand tussen de opstellingen zorgt ervoor dat noch de detectoren, noch de elektronen zelf onderling informatie kunnen uitwisselen tijdens het experiment. Die uitwisseling kan nooit sneller gaan dan de snelheid van het licht en de afstand tussen de labs is simpelweg te groot om te overbruggen in de tijd die wij nodig hebben de elektronen te meten', vertelt promovendus Bas Hensen, eerste auteur van de publicatie in Nature. 'Daarmee is de lokaliteits-loophole gedicht. We sluiten ook de detectie- loophole, omdat we in ons experiment alle verstrengelde paren detecteren. Het is de eerste Bell Test vrij van loopholes, en nog steeds zien we dat de onzichtbare en instantane verbinding van verstrengeling er echt is: de spookachtige invloeden zijn er echt'.

On-hackbare communicatie

De uitkomsten van de metingen kunnen ook gebruikt worden als een beveiligingssleutel. Het is voor hackers fundamenteel onmogelijk om die sleutel af te luisteren, omdat de sleutel niet reist tussen twee punten, maar gecreëerd wordt uit de verstrengeling. Tenminste, als er geen loopholes zijn, want dat zijn achterdeurtjes waardoor hackers toch naar binnen zouden kunnen sluipen. Kwantum mechanica kan alleen een inherent veilige vorm van communicatie leveren als alle achterdeurtjes dicht zitten. Het Delftse experiment heeft aangetoond dat de achterdeurtjes allemaal gesloten kunnen zijn.

Voor de Einstein-fans

Het oktobernummer van Eos bevat een lijvig dossier over Albert Einstein en zijn werk. Het is immers honderd jaar dat het artikel Die Feldgleichungen der Gravitation, waarin Einstein de algemene relativiteitstheorie uit de doeken doet, werd gepubliceerd. In het dossier blikken we terug op de historische paper, maar kijken we ook naar de toekomst, want de komende jaren gaat een aantal krachtige detectoren op jacht naar zwaartekrachtsgolven, geproduceerd door samensmeltende zwarte gaten of neutronensterren. Het experiment geldt als een ultieme test van de relativiteitstheorie. Als ook die slaagt, dan kan de afgelopen eeuw terecht de eeuw van Einstein worden genoemd.