Quantumteleportatie

Natuurkundigen van het Niels Bohr-instituut in Kopenhagen hebben een belangrijke stap gezet op weg naar bruikbare quantumcomputers. In Nature van deze week (5 oktober) beschrijven ze een experiment waarbij de quantumeigenschappen van een lichtflits over een afstand van een halve meter in een wolkje cesiumatomen vast te leggen zonder enig fysiek contact te maken.

Het effect zou bruikbaar kunnen zijn om in quantumcomputers informatie op te slaan in de toestand van deeltjes, terwijl het transport van die informatie via licht verloopt.

Quantumcomputers zijn apparaten die, voorlopig alleen nog in theorie, ongekende aantallen berekeningen tegelijk uitvoeren. Dat kunnen ze doordat er gebruik wordt gemaakt van een bizar kenmerk van de quantumtheorie, dat aangeeft dat deeltjes tegelijk in verschillende toestanden kunnen verkeren. Pas al er wordt gemeten, bevriezen ze in één van de mogelijke toestanden.

De computer is daardoor in een groot aantal toestanden tegelijk, is de gedachte, en voert dus ook parallel grote aantallen berekeningen uit.
De rekenkracht die zo ontstaat zou veel van de huidige cryptografie, bijvoorbeeld in de beveiliging van geheime communicatie, in een oogwenk kunnen breken.

Tot nog toe is nog onduidelijk hoe een praktische quantumcomputer eruit zou moeten zien. Een van de problemen is dat parallelle quantumtoestanden zeer gevoelig zijn voor verstoringen. Dat maakt bijvoorbeeld het in- en uitlezen van gegevens tot een probleem.

Met quantumteleportatie, vaak vergeleken met het overzappen van Captain Kirk uit Star Trek (‘Beam me up, Scotty!’), is dat mogelijk op te lossen.

Daarbij zappen quantumeigenschappen van de ene plaats naar de andere, zonder rechtstreeks contact. Dat lukt door gebruik te maken van de spookachtige verbondenheid die kan bestaan tussen twee quantumdeeltjes of systemen die ooit samen zijn ontstaan. Als op een van beide quantumsystemen invloed wordt uitgeoefend, voelt tweelingsysteem dat ook, ongeacht de afstand en zonder tijdverlies.

Tot nog was dat soort quantumteleportatie alleen aangetoond tussen gelijkwaardige deeltjes, licht of materie. De Nederlandse onderzoeker Dik Bouwmeester, tegenwoordig in Amerika, was in 1997 met een groep in Wenen de eerste die het bestaan van quantumteleportatie met lichtdeeltjes in een proef aantoonde. Sindsdien is het effect ook tussen atomen onderling bewezen.

Bij de proef die Eugene Polzik en zijn medewerkers nu in Nature beschrijven, werd quantuminformatie van een lichtpuls via teleportatie op de draaiing van koude cesiumatomen overgebracht. Daartoe wordt eerst de quantumverbondenheid tussen een lichtbundel en het wolkje koude atomen tot stand gebracht.

Daarna wordt de informatie die moet worden opgeslagen in contact gebracht met de lichtbundel. Uit de proeven blijkt dat daardoor de atomen ook een andere toestand aannemen.

Volgens de onderzoekers is het geen probleem het effect ook over grotere afstanden dan een halve meter te gebruiken.