Een groep van snaartheoretici en quantuminformatici wil in het lab aan de slag met twee wolken van ijskoude atomen, die ze interpreteren als een wormgat. Zo hopen deze wetenschappers grip te krijgen op de lang gezochte theorie die zwaartekracht en quantummechanica verenigt.
De aard van zwarte gaten en de oerknal. Om zulke hersenkrakers echt te begrijpen, heb je een combinatie van quantummechanica en de algemene relativiteitstheorie nodig: respectievelijk de natuurkunde van de allerkleinste deeltjes en die van de zwaartekracht. De snaartheorie probeert quantum en zwaartekracht te verenigen, maar is na decennia van onderzoek nog steeds te taai om praktische vraagstukken mee door te rekenen. Trekken experimenten de snaartheorie los?
Probleem daarbij is dat een deeltjesversneller met genoeg energie om in te zoomen op quantumzwaartekracht zo groot zou zijn als het zonnestelsel. Michael Walter van de Universiteit van Amsterdam en het Amsterdamse Centrum Wiskunde & Informatica denkt dat het kleiner kan. Met onder anderen snaartheoreet van het eerste uur Leonard Susskind schreef hij een artikel over hoe je met quantumzwaartekracht kunt experimenteren op de labtafel.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
In hun artikel stellen de onderzoekers dat ze een ‘vrij gemakkelijk uit te voeren’ experimentele simulatie hebben – voorlopig alleen op papier – van het holografische principe uit de snaartheorie. Volgens vakgenoten is er echter nog een boel werk aan de winkel voordat dit echt lukt.
Telepathische tweelingdeeltjes
Het artikel van Walter en collega’s begint als een nieuw recept voor quantumteleportatie. In de quantumwereld kun je deeltjes zo perfect op elkaar afstemmen dat ze als een telepathische tweeling over grote afstanden aanvoelen wat er met de ander gebeurt. Alsof je mobiel geen verbinding heeft, maar toch appjes kan versturen naar een ander toestel, omdat die twee ooit naast elkaar lagen in de fabriek. Zo versturen natuurkundigen al sinds 1997 informatie over de toestand van lichtdeeltjes, atomen en zelfs moleculen van de ene laboratoriumopstelling naar de andere.
Michael Walter en collega’s onderzoeken een variant op de bestaande procedure. Het nieuwe protocol husselt twee wolken van ijskoude atomen door elkaar, haalt ze weer uit elkaar, mengt een boodschap door de ene wolk en stemt vervolgens beide wolken op elkaar af met quantumverstrengeling. Even later doemt ineens uit de tweede wolk de boodschap op die allang was verwaaid in de eerste.
‘Holografische teleportatie werkt door subtiele correlaties tussen de verstrengelde deeltjes’, legt Walter uit. ‘Je kunt dit recept voor quantumteleportatie helemaal begrijpen door het stug door te rekenen met de Schrödingervergelijking; de basisvergelijking van de quantummechanica. Maar dankzij een vertaaltechniek uit de snaartheorie kun je het probleem veel eenvoudiger maken.’
Wormgaten
Die vertaalslag is het holografische principe, een manier om verschijnselen in de quantummechanica om te schrijven in termen van zwaartekracht. Walter: ‘Na die vertaalslag zie je dat dit teleportatieprotocol wiskundig hetzelfde is als iemand die door een wormgat van zender naar ontvanger reist.’
Wormgaten zijn sluiproutes tussen zwarte gaten. In het echt zijn wormgaten nog nooit waargenomen, maar wiskundig zijn ze goed te beschrijven. En volgens de onderzoekers is het rekenwerk aan een reis door een wormgat een stuk makkelijker dan het boekhouden van alle verbindingen tussen hun verstrengelde atoomwolken.
Zelf vergelijken de onderzoekers hun vondst met twee mensen die tegen elkaar staan te praten. Die informatieoverdracht is op zich te begrijpen door de botsingen tussen miljarden maal miljarden luchtmoleculen door te rekenen. Maar een formule voor geluidsgolven in de lucht geeft dezelfde informatie met veel meer gemak.
Zo zou hier gelden: wat in de ene theorie een razend ingewikkelde berekening is, kan in de andere in een paar stappen worden opgelost. Maar ook: wat je in de ene theorie makkelijk kunt testen in het lab, ligt in de andere ver buiten het bereik van het experiment. Slim vergelijken geeft je meer inzicht in beide, is het idee.
‘Uiteindelijk willen we leren begrijpen hoe je aspecten van quantumzwaartekracht kunt simuleren op een quantumcomputer’, zegt Walter. ‘Net zoals je een molecuul kunt simuleren op een computer zonder dat je het in een reageerbuis hebt. Dit artikel is een eerste stap.’
Niet zo eenvoudig
‘Eenvoudig zou ik dit protocol niet willen noemen’, zegt hoogleraar quantuminformatica Ronald de Wolf. Hij is net als Walter verbonden aan het CWI en de Universiteit van Amsterdam, maar was niet betrokken bij het artikel. ‘Experimenteel is dit absoluut niet makkelijk. Je moet grote aantallen atomen aansturen zonder dat ze uit hun quantumtoestand vallen.’
Daarbij merkt hij wel op dat er binnen dit vakgebied op het moment flink wat vooruitgang wordt geboekt. Zo heeft Google sinds kort een quantumcomputer van vijftig qubits en dat is misschien al genoeg om dit nieuwe protocol te testen.
Missend bewijs
Hoogleraar theoretische natuurkunde Henk Stoof van de Universiteit Utrecht vindt echter dat een reis door een wormgat helemaal niet makkelijker is dan rekenen aan atomen. ‘Je kunt dit hele verschijnsel al compleet begrijpen in termen van rechttoe, rechtaan quantummechanica.’
Stoof mist ook een wiskundig bewijs dat het teleportatierecept zich exact zo gedraagt als een wormgat. ‘Zonder zo’n bewijs zie ik er weinig voordeel in om dit experiment te interpreteren in termen van een wormgat. Het kan, als je het holografische principe aanneemt, maar is dat een simpeler beeld? Misschien voor de kleine groep die daar helemaal in thuis is.’
Echte quantumzwaartekracht?
En kan dit experiment de snaartheorie helpen ontwarren? Stoof denkt van niet. ‘Wat je er niet in stopt, kun je er ook niet uit krijgen’, zegt hij. ‘Er zit geen enkele invloed van de zwaartekracht in het experiment. In de metingen krijg je dus ook geen sporen te zien van de quantumzwaartekracht zoals die werkt in de natuur.’
Zo ambitieus is het artikel van Walter en collega’s ook niet bedoeld, denkt hoogleraar snaartheorie Jan de Boer van de Universiteit van Amsterdam. ‘De crux van dit werk is een laboratoriumtest van het holografische principe. Het gaat niet over welke theorie er goed of fout is, maar over welke gereedschap het beste werkt voor een bepaald vraagstuk. En dan vind ik het bijzonder interessant dat je dit experiment met teleportatie het simpelst kunt beschrijven in termen van zwaartekracht.’
