experiment aan TU Delft

Wetenschappers van de TU Delft zijn erin geslaagd om twee elektronen die zich op drie meter afstand van elkaar bevonden in een quantummechanisch verstrengelde toestand te brengen. En daarmee komt dat quantumnetwerk waarbij informatie door ‘teleportatie’ verstuurd wordt, weer een stukje dichterbij.

Quantumverstrengeling: het is fascinerend, maar bijzonder ingewikkeld tegelijkertijd. Kortgezegd komt het erop neer dat het mogelijk is om twee deeltjes met elkaar te verstrengelen en zo de ‘identiteiten’ van deze deeltjes samen te laten smelten. Het resultaat is dat twee deeltjes zich – ongeacht hoe groot de afstand tussen de deeltjes ook is – altijd als één geheel gedragen.

Quantumbits
Quantumverstrengeling is heel interessant, omdat computers hiermee heel veel berekeningen tegelijkertijd kunnen uitvoeren. Zo kan een quantumcomputer met 400 rekeneenheden (oftewel 400 quantumbits) al meer bits aan informatie tegelijk bewerken dan het aantal atomen in het heelal.

Op twee chips
Geen wonder dat wetenschappers wereldwijd vat proberen te krijgen op quantumverstrengeling. Eerder toonden onderzoekers al aan dat het mogelijk is om quantumbits die zich op één chip bevinden met elkaar te verstrengelen. Onderzoekers van de TU Delft zijn nu nog een stapje verder gegaan. Zij tonen aan dat het mogelijk is om quantumbits die zich op twee verschillende chips bevinden, met elkaar te verstrengelen.

Hoe werkt het?
De onderzoekers van de TU Delft maakten quantumbits door gebruik te maken van elektronen in diamant. “We gebruiken diamant, omdat daarin ‘mini-gevangenisjes’ voor elektronen worden gevormd als er een stikstofatoom op de plaats van één van de koolstofatomen zit,” legt onderzoeker Ronald Hanson uit. “Omdat we deze gevangenisjes individueel kunnen bekijken, is het mogelijk om een individueel elektron en zelfs één atoomkern te bestuderen en te controleren. We kunnen de spin (draairichting) van deze deeltjes in een vooraf bepaalde toestand klaarzetten, die spin controleren en vervolgens ook uitlezen. Dit alles doen we in materiaal waarvan chips gemaakt kunnen worden. Dat is belangrijk want velen geloven dat we alleen chip-based systemen kunnen opschalen naar een praktische technologie.” Wat de onderzoekers nu concreet gedaan hebben, is twee elektronen in verschillende diamanten – die zich op enkele meters afstand van elkaar bevonden – in een verstrengelde toestand brengen. De twee elektronen konden elkaar niet ‘voelen’, omdat de afstand te groot was. Om de verstrengeling toch over te brengen, gebruikten de onderzoekers lichtdeeltjes.

Quantum-internet

Dit onderzoek is een belangrijke stap in de richting van een quantum-internet: een netwerk waarmee quantumcomputers met elkaar kunnen communiceren. Die communicatie kan vanzelfsprekend supersnel verlopen. “Wij zijn nu al bezig de experimenten uit te breiden met meer quantumbits per chip. Door verstrengeling zou zo’n netwerk quantumcomputers met elkaar kunnen verbinden.” Een ander groot voordeel van een quantum-internet waarbij informatie dus door teleportatie verstuurd wordt, is dat de informatie niet af te luisteren is. “Bij teleportatie reist de informatie niet door de tussenliggende ruimte en kan daarom niet worden afgeluisterd.”

Gelukt!
Daarna moest natuurlijk nog aangetoond worden dat de aanpak gewerkt had. De onderzoekers bestudeerden daartoe de spintoestand van beide elektronen. De spinrichting van elk elektron apart was volledig willekeurig. Dat is geen verrassing: zo schrijft de quantummechanica het ook voor. Maar de spinrichtingen van de twee elektronen waren altijd precies tegenovergesteld: het bewijs dat ze verstrengeld zijn en zich als één geheel gedragen.

Grotere afstand
Zoals gezegd bedroeg de afstand tussen de twee verstrengelde deeltjes nu ongeveer drie meter. Dat wil echter niet zeggen dat dat de maximale afstand is waarop twee deeltjes met elkaar verstrengeld kunnen raken. “De afstand van drie meter tussen de elektronen is vrij arbitrair gekozen. Dit experiment kunnen we ook over een veel grotere afstand uitvoeren.”

Hoewel het experiment indrukwekkend is, zijn we er nog niet, zo benadrukt Hanson. De volgende stap is teleportatie. “Het is in theorie mogelijk om de toestand van een deeltje over grote afstand te ‘teleporteren’ naar een ander deeltje, door slim gebruik te maken van de verstrengeling. Quantumteleportatie verplaatst níet de materie, maar de toestand daarvan. Maar aangezien alle elementaire deeltjes exact hetzelfde zijn heeft quantumteleportatie van één elektron naar een ander elektron hetzelfde effect als het verplaatsen van het elektron.”