Vorige maand kondigden miljardair Yuri Milner en astrofysicus Stephen Hawking Breakthrough Starshot aan: een ongelooflijk ambitieus plan om het eerste door mensen gemaakte ruimtevaartuig naar een ander sterrenstelsel in onze melkweg te sturen. Een gigantische laserarray zou een apparaat ter grootte van een microchip naar een andere ster kunnen lanceren met een lichtsnelheid van 20%. Maar het is onduidelijk hoe dit kleine apparaat met ons zou kunnen communiceren via de enorme interstellaire ruimte. Hoe zit het met kwantumverstrengeling? Kan het op een dergelijke verbinding worden toegepast?
Dit idee verdient zeker de aandacht.
Stel je twee munten voor, die elk met kop of munt omhoog kunnen komen. Jij hebt één munt, ik heb een andere, en we zijn extreem ver van elkaar verwijderd. We gooien onze munten de lucht in, vangen ze op en slaan ze op tafel. Voordat we kijken naar een stuk dat is geland, verwachten we een kans van 50/50 om in de staart te komen, en natuurlijk ook op kop. In een gewoon, ontward universum zullen uw resultaten en de mijne onafhankelijk van elkaar zijn. Als je muntstukken tegenkomt, heeft mijn munt 50% kans om met kop of munt te vallen. Maar onder bepaalde omstandigheden kunnen deze resultaten verwarrend zijn: als je dit experiment uitvoert en staarten krijgt, weet je dat mijn munt 100% kans heeft om kop te vertonen voordat ik het je vertel. Je zult er meteen van weten, zelfs als we door lichtjaren van elkaar gescheiden zijn en er geen seconde voorbij is gegaan.
In de kwantumfysica verstrengelen we meestal geen munten, maar individuele deeltjes, zoals elektronen en fotonen, waarbij bijvoorbeeld elk foton een spin van +1 of -1 kan hebben. Als je de spin van het ene foton meet, herken je onmiddellijk de spin van een ander foton, ook al is het een half universum van ons verwijderd. Totdat je de spin van één foton meet, bestaan ze allebei in een onbepaalde staat; maar zodra er een is gemeten, weet je het meteen. Op aarde hebben we zo'n experiment uitgevoerd, waarbij we twee verstrengelde fotonen vele kilometers van elkaar scheiden en hun spins over een nanoseconde meten. Het bleek dat als we de spin van de ene meten en het blijkt +1 te zijn, we ontdekken dat de spin van de andere -1 10.000 keer sneller is dan de snelheid van het licht ons zou toelaten.
En hier is de vraag: kunnen we deze eigenschap - kwantumverstrengeling - gebruiken om te communiceren met een ver sterrenstelsel? Antwoord: ja, als we een meting op een externe locatie beschouwen als een vorm van communicatie. Maar als je verbinding zegt, wil je meestal iets weten over de plek waarmee je verbinding maakt. Je kunt bijvoorbeeld een verstrengeld deeltje in een onbepaalde staat houden, het aan boord van een ruimtevaartuig naar een nabije ster sturen en het laten zoeken naar tekenen van rotsachtige planeten in de bewoonbare zone van die ster. Als hij er een ziet, voert hij een meting uit, wat ertoe leidt dat uw deeltje zich in toestand +1 bevindt, en zo niet, dan zal de meting aantonen dat uw deeltje zich in toestand -1 bevindt.
Promotie video:
Dus je neemt aan dat een deeltje op aarde in toestand -1 zou moeten zijn wanneer je het meet, wat aangeeft dat het ruimtevaartuig een planeet heeft gevonden in de bewoonbare zone, of in toestand +1, wat aangeeft dat het ruimtevaartuig een planeet heeft niet gevonden. Als u weet dat er een meting is uitgevoerd, kunt u uw eigen meting uitvoeren en direct weten wat de toestand van een ander deeltje is, zelfs als dit vele lichtjaren verwijderd is.
Golfpatroon voor elektronen die door een dubbele spleet gaan. Als je meet welke spleet het elektron passeert, vernietig je het patroon van kwantuminterferentie.
Het plan is prima. Maar er is een probleem: verstrengeling werkt alleen als je het deeltje vraagt: in welke staat ben je? Als je een verstrengeld deeltje in een bepaalde toestand plaatst, verbreek je de verstrengeling en zal de meting op aarde volledig onafhankelijk zijn van de meting van een verre ster. Als je eenvoudig een ver verwijderd deeltje hebt gemeten (en ontdekte: +1 of -1), dan zal je meting op aarde ook -1 of +1 (respectievelijk) zijn en je informatie geven over een deeltje dat lichtjaren van je verwijderd is. Als je een deeltje onderdompelt in de +1 of -1 staat, dan heeft je deeltje op aarde, ongeacht het resultaat, een kans van 50% van +1 of -1 en zal het vele lichtjaren niets over het deeltje zeggen.
Dit is een van de meest verwarrende dingen in de kwantumfysica: verstrengeling kan worden gebruikt om informatie te verkrijgen over een onderdeel van een systeem wanneer je de volledige staat kent en een andere component (en) te meten, maar niet om informatie te creëren en over te dragen van het ene deel van een verstrengeld systeem naar het andere. … Daarom is er geen mogelijkheid voor communicatie sneller dan licht.
Kwantumverstrengeling is een geweldige eigenschap die we voor talloze verschillende dingen kunnen gebruiken, zoals een perfect versleutelingssysteem voor informatie. Maar communicatie is sneller dan licht? Om te begrijpen waarom dit niet mogelijk is, moeten we een sleuteleigenschap van de kwantumfysica begrijpen: dat door ten minste een deel van een verstrengeld systeem met geweld in één toestand te dompelen, kun je geen informatie over deze duik krijgen door de rest van het systeem te meten. Zoals Niels Bohr ooit opmerkte, "als de kwantummechanica je nog niet diep heeft geschokt, heb je het nog niet begrepen."
Het universum dobbelt de hele tijd met ons, tot grote ergernis van Einstein. Zelfs onze beste pogingen om vals te spelen in dit spel worden door de natuur naar voren gebracht.
