Uit quantumvelden, die zich uitstrekken over de hele ruimtetijd, kunnen we quantumverstrengeling ‘aftappen’. Die kan vervolgens worden ingezet om quantumapparaten aan te drijven.
Verstrengeling is een van de waardevolste ‘grondstoffen’ in het quantumrijk: het is het fenomeen dat bijvoorbeeld quantumversleuteling mogelijk maakt. Nu hebben natuurkundigen vastgesteld dat het in theorie mogelijk is om quantumverstrengeling uit het universum te winnen en in te zetten voor quantumtoepassingen.
Quantumverduistering
Zodra je je met een quantumveld bemoeit, verandert dat de toestand ervan. Natuurkundige Henrik Wilming van de Universiteit van Hannover in Duitsland zocht naar gevallen waarbij dit kan worden vermeden. Dit bracht hem op het idee van ‘quantumverduistering’, waarbij je met een quantumapparaat een ‘grondstof’ uit het quantumveld haalt zonder dat het veld dat merkt. Het is dan net alsof je een brandstof delft, die het apparaat vervolgens kan gebruiken voor een taak, zoals het verzenden van een gecodeerd bericht.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Wilming en zijn collega’s richtten zich specifiek op quantumverstrengeling. Dat is een soort onlosmakelijk verband tussen twee quantumobjecten. Het is het fenomeen dat quantumrekenen en -communicatie mogelijk maakt. De natuurkundigen ontdekten dat het ‘aftappen’ van verstrengeling uit quantumvelden verrassend winstgevend kan zijn.
Bankoverval
Wilmings team analyseerde een scenario waarin twee mensen, Alice en Bob, verstrengeling willen onttrekken uit een relativistisch quantumveld dat zich in een lage energietoestand bevindt. Zo’n quantumveld kan zich over de hele ruimte uitstrekken. De berekeningen van de natuurkundigen toonden aan dat Alice en Bob hun acties niet hoeven te coördineren met elkaar, en dus ook niet hoeven te communiceren, om dit voor elkaar te krijgen. Zelfs als de twee alleen stiekem een interactie aangaan met het veld in de buurt van hun eigen locatie, stelt de wiskundige structuur van het veld hen in staat om zo veel quantumverstrengeling af te tappen als ze maar willen.
Wilmings collega Lauritz van Luijk, ook van de Universiteit van Hannover, vergelijkt het veld met een soort bank waaraan Alice en Bob op slinkse wijze verstrengeling onttrekken in plaats van geld. Als je naar de hele kosmos kijkt, is er oneindig veel verstrengeling. Dat blijft zelfs zo nadat Alice en Bob hun quantumoverval plegen.
‘Omdat de bank zich voor en na de overval in dezelfde toestand bevindt, betekent dit dat niemand het aftappen kan ontdekken. Het is de perfecte misdaad’, zegt Van Luijk.
Geen stappenplan
De onderzoekers hebben echter geen stappenplan gedeeld voor welke acties Alice en Bob daadwerkelijk moeten uitvoeren om verstrengeling te ‘stelen’ – ze bewijzen alleen dat het mogelijk is. Daarom zal dit onderzoek niet leiden tot praktische aftapapparaten, zegt natuurkundige John Cardy van de Universiteit van Oxford in het Verenigd Koninkrijk. Bovendien kunnen natuurkundigen quantumverstrengeling zelf in het lab maken, en is dat proces toegankelijker en concreter dan het te gaan zoeken in een quantumveld, zegt hij.
Teamlid Alexander Stottmeister van de Universiteit van Hannover wijst er echter op dat quantumvelden oneindig groot zijn, en dat daar in experimenten geen tegenhanger van bestaat. De vondst dat zulke quantumvelden het toestaan om verstrengeling af te tappen, kan helpen om vergelijkbare maar praktischere voorbeelden te vinden die verduistering mogelijk maken. Als die praktische opties niet geweldig zijn, zullen ze toch op zijn minst goed zijn, stelt Stottmeister.
Ranglijst
Het onderzoek biedt bovendien een nieuwe manier om oneindige objecten zoals quantumvelden te classificeren op basis van hun verstrengelingsgehalte, zegt Wilming. De berekeningen onthulden namelijk dat er verschillende soorten verstrengeling in een quantumveld kunnen zitten. Je kunt deze rangschikken in termen van hoe gemakkelijk het is om ze af te tappen.
‘Wat er gebeurt met relativistische quantumvelden is waarschijnlijk het gekste geval’, zegt Van Luijk, waarbij hij verwijst naar het feit dat je oneindig veel verstrengeling kunt verduisteren. Dat komt doordat relativistische quantumvelden overal zijn, en deeltjes voortbrengen die bijna net zo snel gaan als het licht. Dit betekent dat er in deze velden eindeloos veel bestaans- en bewegingsvrijheid bestaat. Die kun je niet zomaar uitputten.
