Informatie onmiddellijk overgedragen door kwantumverstrengeling

De theorie van de kwantumverstrengeling is een van de meest controversiële aspecten van de moderne fysica: Albert Einstein noemde het spottend "spookachtige actie vanop afstand" en stelde dat ons begrip van de kwantumfysica fout moest zijn.

Sommige subatomische deeltjes bestaan altijd in een gepaarde staat. Twee elektronen kunnen bijvoorbeeld een tegengestelde spin - een bepaalde kwantumeigenschap - hebben, en als er een elektron gemanipuleerd wordt zodanig dat de spin verandert, zal volgens de verstrengelingstheorie het andere elektron onmiddellijk reageren en zijn spin veranderen, zodanig dat de twee elektronen een tegengestelde spin behouden.

Aangezien er een zekere afstand tussen de twee deeltjes ligt, betekent dit dat de informatie van wat er gebeurd is met het ene deeltje, oneindig snel moet doorgegeven worden aan het andere deeltje, sneller dan de snelheid van het licht. Onder meer daardoor stond Einstein er afkerig tegenover, maar door het toenemende succes van de kwantumtheorie zijn natuurkundigen zich meer op hun gemak gaan voelen met het idee dat verstrengeling bestaat, hoewel een aantal van hen wel stellen dat het niet gebruikt kan worden om informatie over te brengen.

In 1964 kwam de natuurkundige John Stewart Bell met een idee naar buiten voor een experiment om na te gaan of kwantumverstrengelking echt bestaat. In die tijd was het experiment praktisch niet uit te voeren, maar nu is een team van de Technische Universiteit Delft dicht in de buurt gekomen. Het experiment is gepubliceerd in Science .

Het team uit Delft sloot elektronen op in zeer sterk afgekoelde diamanten, die de teamleider Ronald Hanson op de site "IFLScience" omschreef als "minigevangenissen". Dit liet hen toe om op een zeer betrouwbare manier de spin te meten van elk elektron. Veranderingen aan de spin werden weerspiegeld in de spin van een verstrengeld elektron dat gevangen zat in een gelijkaardige diamant op een drietal meter afstand. 

De kleine afstand tussen de twee diamanten maakt het moeilijk om aan te tonen dat de overdracht van de informatie onmiddellijk gebeurt en niet tegen de snelheid van het licht. Bijgevolg is de volgende logische stap om verstrengelde gevangen elektronen op een grotere afstand van elkaar te plaatsen. Verstrengeling tussen eilanden op meer dan 100 kilometer afstand is al aangetoond, maar enkel op een statistische manier en niet met 100 procent zekerheid.

Zoals wel vaker gebeurt, is dit resultaat niet uit de lucht komen vallen: het is ook andere teams al gelukt om kwantuminformatie onmiddellijk over te dragen, maar slechts in een minderheid van de gevallen. En verleden jaar had het team van Hanson al aangekondigd dat het "teleportatie" van kwantuminformatie had kunnen bereiken, maar zonder de 100 procent betrouwbaarheid van hun recente werk. 

En ook in Canada zeggen geleerden dat ze het beste bewijs tot nu toe gevonden hebben voor verstrengeling in een computer van 15 miljoen dollar in Burnany, in de buurt van Vancouver.

D-Wave zegt dat het de eerste bruikbare kwantumcomputer gebouwd heeft, een machine die complexe problemen veel sneller kan oplossen dan gewone computers. En geleerden zeggen nu dat ze aangetoond hebben dat er verstrengeling is in acht eenheden van kwantuminformatie. Ze schrijven dat in Physical Review X .

Kwantumcomputers maken gebruik van de vreemde eigenschappen van de kwantummechanica, die enkel opgaat op atomaire of subatomaire schaal. In klassieke computers zijn de basiseenheden van informatie "bits" en ze worden opgeslagen als een reeks van enen en nullen. Hun equivalenten in de kwantumsystemen heten "qubits" en zij kunnen tegelijkertijd een een en een nul zijn. Maar de qubits moeten gesynchroniseerd worden met behulp van verstrengeling. En dat is nu gebeurd, zegt D-Wave.

"Dit is de eerste "peer-reviewed" wetenschappelijk studie die bewijst dat er verstrengeling is in D-Wave-processoren", zegt doctor Colin Williams van D-Wave aan de BBC. "Wat nog opmerkelijker is, is dat dit de grootste demonstratie van verstrengeling is in een kwantum, supergeleidend computerstelsel tot nu. Het is een grote verwezenlijking in dit gebied."

D-Wave toonde ook aan dat de verstrengeling stabiel is, en bleef bestaan gedurende een belangrijke activiteit van de computer.

De onderzoekers gebruikten een van de qubits als een "peilstift" om informatie te verkrijgen over de ander qubits in de processor. Met deze informatie waren ze in staat om te berekenen hoeveel verstrengeling er was in het systeem.

Professor Alan Woodward van de University of Surrey zei aan de BBC: "Een van de drie kwantumeffecten die je nodig hebt om te kunnen spreken van een echte kwantumcomputer, is verstrengeling. Het lijkt er ondubbelzinnig op dat ze een groot aantal qubits hebben die verstrengeld zijn, en dat ze samen lijken te werken." Hij noemde het resultaat een "belangrijke zaak".

De D-Wave processor gebruikt 512 qubits en de techniek in de studie omschrijft slechts acht qubits daarvan. Experten die sceptisch staan tegenover de computers van D-Wave, zoals professor Scott Aaronson van Massachusetts Institute of Technology, zeggen dat de machines "behoorlijk goed" bewijs leveren voor verstrengeling op een plaatselijk niveau, maar niet noodzakelijk op grote schaal.

Doctor Williams van D-Wave zegt dat er redenen zijn om aan te nemen dat verstrengeling overal in de processor voorkomt. "We hadden elk deel van de processor kunnen kiezen om dit experiment uit te voeren", zo zei hij. "Er is geen reden om aan te nemen dat de verstrengeling beperkt is tot enkel deze acht qubits. We hebben andere experimenten uitgevoerd om verstrengeling vast te stellen in anderen cellen van eenheden, en we zagen gelijkaardige resultaten."