Vorige maand vonden twee interessante ontwikkelingen op het gebied van kwantumtechnologie tegelijk plaats: Chinese wetenschappers teleporteerden lichtfotonen van een grondstation naar een ruimtesatelliet en een jaarlijkse conferentie van vooraanstaande experts in de kwantumfysica werd gehouden in Moskou. Business Insider was in staat om Dr. Eugene Polzik van het Niels Bohr Institute, een van de toonaangevende experts op het gebied van kwantumteleportatie, gevangen te nemen en hem te ondervragen over een verscheidenheid aan vragen, waaronder het opmerkelijke succes van zijn Chinese collega's.
"Teleportaties van deze soort worden sinds 1997 onder laboratoriumomstandigheden uitgevoerd, maar Chinese wetenschappers zijn erin geslaagd dit verbazingwekkende technologische effect op grote afstand te bereiken", zei Polzik.
In 2012 teleporteerde een team van Europese wetenschappers met succes fotonen tussen de twee Canarische Eilanden. De afstand tussen de zendende en ontvangende apparaten was 141 kilometer. Chinese onderzoekers wisten dit record te breken in juli, toen ze met succes fotonen teleporteerden over een afstand van 500 kilometer.
We hebben lang gedroomd van een dergelijke technologie van Star Trek, hoewel onze intuïtie altijd heeft gezegd dat teleportatie in principe onmogelijk is. De fysica van onze echte wereld, waarin we elke dag leven, lijkt echter weinig op de fysica van de kwantumwereld. Hier zijn de wetten van een vallende steen van een rotswand en de heersende elektronen en individuele fotonen van licht totaal verschillend van wat we gewend zijn te zien. Daarom is in zo'n bizarre wereld bijna alles mogelijk, inclusief teleportatie. Hoe dit allemaal te begrijpen? De plek om te beginnen is kwantumverstrengeling.
Wat is kwantumverstrengeling?
Soms blijken twee kwantumdeeltjes gespiegeld te zijn. Wat er ook met een van deze deeltjes gebeurt, hetzelfde zal met de andere gebeuren. Zelfs als ze op grote afstanden van elkaar zijn gescheiden. Het zijn nog steeds twee afzonderlijke objecten, maar ze zijn in alles identiek. Wanneer twee deeltjes hun toestand delen, worden dergelijke deeltjes verstrengeld genoemd.
"Stel dat ik een paar verstrengelde fotonen heb gemaakt", legt Polzik uit.
Promotie video:
“Ik bewaar er een en stuur de andere met een laser naar een in een baan rond de ruimte draaiende satellieten, in de hoop dat het foton zijn bestemming zal bereiken. Teleportatie kan alleen als succesvol worden beschouwd wanneer de twee-fotonenverstrengelingstoestand is gescheiden tussen de zendende en ontvangende stations."
De belangrijkste technische moeilijkheid van het teleportatieproces ligt in de overdracht van een foton naar een bepaalde afstand van het verstrengelde partnerdeeltje. In het geval van het Chinese experiment bevond één foton zich in een laboratorium op aarde en de tweede werd met succes naar een in een baan om de aarde draaiende satelliet gestuurd. De veranderingen die zijn opgetreden met het foton op aarde als onderdeel van de manipulaties van wetenschappers hebben ook invloed gehad op het foton in de ruimte - dit is kwantumteleportatie in zijn puurste vorm.
Hoe te begrijpen of de satelliet het gewenste foton heeft ontvangen, en niet een willekeurig deeltje licht?
Dit is relatief eenvoudig te doen, dankzij een proces dat spectrale filtering wordt genoemd. Het stelt wetenschappers in staat om individuele fotonen van licht te identificeren en te volgen door ze te labelen met een uniek identificatienummer.
“U kent de frequentie van het foton dat u verzendt, u kent de directionaliteit. De satelliet is gericht op de bron van verzending op aarde. Als je aan beide kanten zeer goede optische apparatuur hebt, ziet deze optiek alleen de bron en niets anders”, vervolgt Polzik.
De spectrale filtermethode is onverschillig voor "ruis" in de vorm van andere fotonen. In hetzelfde experiment op de Canarische Eilanden werd de transmissie bijvoorbeeld uitgevoerd onder een heldere, zonnige hemel.
Er was een overdracht van miljoenen fotonen naar de satelliet, maar slechts 900 bereikten de bestemming. Waarom?
Hoe verder je het verstrengelde foton probeert te sturen, hoe minder efficiënt dit proces wordt. Bovendien is de atmosfeer van de aarde constant in beweging, dus het is gemakkelijk om fotonen te verliezen op hun weg naar de ruimte.
“Zelfs als er geen atmosfeer was, moet je de lichtstraal nog steeds richten, zodat deze op de satelliet is gericht. Als je een laserpointer op je handpalm laat schijnen, is het lichtpunt klein, maar als je de laser gewoon verwijdert, wordt het punt groter - dit is de wet van diffractie”, zegt Polzik.
Vanaf de grond is het vrij moeilijk voor licht om door te dringen naar de ruimte (naar een optische ontvanger die is geïnstalleerd op een in een baan ronddraaiende satelliet). Het vervormt veel, dus de meeste fotonen gaan gewoon nergens heen.
“Succesvolle teleportatie is alleen mogelijk in een zeer korte tijdspanne. In algemene zin is dit erg onpraktisch, maar toch zijn er manieren om deze technologie te gebruiken”, vervolgt Polzik.
Is kwantumteleportatie een onmiddellijke overdracht van gegevens?
Niet echt. Teleporteerbare objecten verdwijnen niet en verschijnen dan ergens anders weer. Wetenschappers gebruiken verstrengeling om informatie over de kwantumtoestand van het ene foton naar het andere over te dragen. Zonder deze informatie zal het foton fysiek de gehele afstand tussen zender en ontvanger moeten afleggen. Nogmaals, informatie wordt niet onmiddellijk verzonden. Dit is alleen mogelijk als de zender de kwantumtoestand van zijn foton meet en daarmee de toestand van het foton bij de ontvanger verandert. Door kwantumverstrengeling "wordt" het ene foton in wezen een ander foton.
Dus waar is dit allemaal voor?
Kwantumteleportatie kan het concept bewijzen van de mogelijkheid om een ultraveilig wereldcommunicatienetwerk te creëren. Net als een sleutel die een slot opent, zal een bericht dat via een kwantumnetwerk wordt verzonden, alleen de geadresseerde bereiken die het correct verstrengelde foton bezit, waardoor dit bericht kan worden ontvangen en gelezen.
Albert Einstein noemde kwantumverstrengeling ooit 'spookachtige actie op lange afstand', maar deze actie op lange afstand is de fundamentele component die ervoor zorgt dat alles werkt. En op een dag kan hij in de toekomst de motor worden van onze veilige communicatie.
Nikolay Khizhnyak
