Kwantumverstrengeling maakt het mogelijk voor geliefden op vele lichtjaren afstand om elkaar toch te ontmoeten. Nadeel: om dit plannetje uit te voeren moet je wel wat zware sterren opstoken, maar dan heb je ook wat: enkele fracties van seconden tot enkele weken samen in een kwantumverstrengeld zwart gat.
Het recept gaat ongeveer zo.
Neem een enorme hoeveelheid kwantumverstrengeld licht, verdeel dit over beide geliefden (laten we ze Alice en Bob noemen) en fabriceer er twee zwarte gaten van. Spreek vervolgens een tijdstip af dat je er allebei tegelijk in springt. Als de zwarte gaten maar groot genoeg zijn, bijvoorbeeld omdat je een paar dwergsterrenstelsels opstookt, kan je tot enkele weken samen doorbrengen voor je in stukjes wordt vermalen.
Dan moet de nieuwe theorie van snaarbeoefenaars Juan Maldacena en Leo Susskind, volgens welke dit mogelijk is, natuurlijk wel kloppen. Hoewel kwantumverstrengeling overtuigend is aangetoond, geldt dit niet voor zwarte gaten. Hoewel we objecten kennen die alleen te verklaren zijn door aan te nemen dat het zwarte gaten zijn (bijvoorbeeld Sgr A in het centrum van de Melkweg), is niet bekend hoe zwarte gaten zich binnen de waarnemingshorizon gedragen. Wacht dus nog even met springen. Het is vermoedelijk slimmer om de kwantumfunctie van Alice of Bob te klonen (waarbij je het no-cloning theorem omzeilt door ‘slechte’ kopieën te maken) en die als laserbundel te versturen. Diot kost veel minder energie.
In levende wezens blijkt kwantumverstrengeling, een exotisch verschijnsel dat in laboratoria zelfs onder de allerbeste omstandigheden slechts fracties van seconden in stand houdt, volop voor te komen en zelfs veel robuuster te zijn dan in het lab. Natuurkundigen denken nu eindelijk een verklaring gevonden te hebben.
Levende wezens, zoals vogels en planten, kloppen bij het in stand houden van kwantumverstrengeling zelfs de beste kwantumlabs met ordes van grootte. Zijn we er nu eindelijk achter waarom?
Kwantumparadox: levend wezen klopt geavanceerd kwantumlab
De laatste jaren wordt steeds meer ontdekt dat kwantumverschijnselen in levende wezens eerder de regel dan de uitzondering zijn. De bekendste voorbeelden zijn fotosynthese (waardoor d.m.v. kwantumcoherentie alle lichtenergie die op een bladgroenkorrel valt, wordt geconcentreerd op één effectieve plaats) en het waarnemen van magnetische velden door vogels met behulp van het kwantum Zeno effect.
Veel natuurkundigen zitten hiermee behoorlijk in hun maag. Hoe kan een heet, vochtig systeem kwantumverstrengeling veel langer in stand houden dan onderzoekers in een lab, waar met vacuüm vlak boven het absolute nulpunt wordt gewerkt? Kortom: volgens klassieke kwantumberekeningen is dit niet mogelijk. Fysici denken daarom dat er iets verkeerd is: of de metingen deugen niet – een geliefd argument: niet-natuurkundigen, zeker als ze zich op natuurkundig terrein begeven, zijn nu eenmaal prutsers – of er is een nog niet ontdekt mechanisme dat decoherentie (verdwijnen van kwantumverstrengeling) voorkomt.
Onbekend kwantummechanisme ontdekt
De jury is er eindelijk uit: Gabor Vattay en Stuart Kaufman van de universiteit van Vermont (VS) en Samuli Niiranen van het Tampere Technisch Instituut in Finland zeggen nu inderdaad dat het een tot dusver nog onontdekt mechanisme is. Ze hebben ontdekt dat onder bepaalde bijzondere omstandigheden, kwantumsystemen veel langer coherent kunen blijven dan klassieke kwntummechanica toestaat. Ze stellen ook dat biologische systemen dit effect op zo’n manier manipuleert dat dit de recente ontdekkingen van kwantumbiologen verklaart.
Kwantumchaos
De chaostheorie – een infinitesimaal kleine verstoring zal in een instabiel systeem uitgroeien tot een radicaal andere systeemstaat – heeft de afgelopen veertig jaar aan onder meer meteorologen duidelijk gemaakt dat hun droom, ooit maanden van tevoren het weer te kunnen voorspellen, onmogelijk is te bereken. Er bestaat ook een kwantumvariant van de chaostheorie, waarin een kleine wijziging in een kwantumstaat een enorm effect op de evolutie van het systeem heeft.
Faseovergang behoudt kwantumverstrengeling
Naar blijkt, bestaat er een soort faseovergang tussen ‘klassiek’ kwantumgedrag vertonende kwantumsystemen en chaotische kwantumsystemen – net als in klassiek fysische systemen. De nieuwe verklaring maakt gebruik van deze kwantumovergangstoestand. Er is bijvoorbeeld een punt met een (hoge) temperatuur en druk waarbij ijs, vloeibaar water en waterdamp tegelijkertijd kunnen bestaan (het driefasenpunt). Bij deze kritische overgang is er geen verschil meer tussen deze drie fases. Kauffman stelt dat er een vergelijkbare kritische overgangsstaat bestaat tussen normale en chaotische kwantumsystemen. Op dit punt is er geen verschil meer tussen ‘normaal’ en ‘chaotisch’ kwantumgedrag. Onder deze omstandigheden overleeft kwantumcoherentie plotseling veel langer dan normaal.
Plausibele verklaring voor kwantumbiologie
Dit moet de verklaring zijn voor de bizarre kwantumbiologie, aldus Kauffman en zijn medeauteurs. Om de proef op de som te nemen berekenden ze met redelijk succes hoe sterk het de coherentie van het kwantum-lichtoogstsysteem in bladgroenkorrels verbeterde. Hun conclusie: “Het is erg plausibel dat biologische systemen dit mechanisme gebruiken.”
Kwantumtechniek op kamertemperatuur nu binnen bereik
Ook bouwers van potentieel superzuinige kwantumcomputers en (zeer gevoelige) kwantumdetectoren kijken reikhalzend uit naar het moment waarop ze er in slagen kwantumverstrengeling op kamertemperatuur en voor veel langere tijd te manipuleren. Deze ontdekking zou dus wel eens grote gevolgen kunnen hebben voor de doorbraak van kwantumtechniek. Als deze kwantum-faseovergang inderdaad bij kamertemperatuur gerealiseerd kan worden, zou je bijvoorbeeld draagbare MRI-scanners en dergelijke kunnen bouwen.
Kortom: veel mogelijkheden om nieuwe, nauwkeurige en zuinige meetapparatuur en informatieverwerkers te ontwikkelen.
Het was even stil rond de kwantumradar, maar daar is nu een einde aan gekomen met nieuw onderzoek. Met onzichtbare radargolven kunnen, als dit project slaagt, metingen worden gedaan zonder dat het slachtoffer wat merkt. Maar dat is niet alles. Het zou ook wel eens een oplossing kunnen zijn voor het schreeuwend gebrek aan radiofrequenties.
Hoe werkt de kwantumradar?
Radarinstallaties zijn bij luchtaanvallen geliefde doelwitten. Maar wat als radar onzichtbaar wordt?
We schreven al eerder over een kwantumtheoretische doorbraak die ‘gemerkt licht’ mogelijk maakt. Saikat Guha van wapenfabrikant Raytheon in Cambridge in het Amerikaanse oostkust-deelstaatje Massachusetts stelt dat hij en zijn team er in zijn geslaagd tien bits per foton door te sturen. Dit is een duizendvoudige verbetering van het huidige record: één bit per honderd fotonen. De toename is bereikt door kwantumverstrengeling. Een foton wordt gesplitst in twee fotonen (dit kan met een optisch actief kristal) die met elkaar verstrengeld blijven. Op die manier krijg je als het ware gemerkt licht, waarbij niemand dan de waarnemer zelf weet dat het licht van hem afkomstig is. Door tegelijkertijd metingen te doen aan het weerkaatste en het niet-weerkaatste foton kan de waarnemer er achter komen of het foton al dan niet van hemzelf afkomstig is.
Extreem krachtige privecommunicatie
Dit principe kan je uiteraard ook gebruiken voor communicatie. Guha en de zijnen denken dat het mogelijk is met behulp van deze techniek de beruchte ‘fog of war’ die het chaotische strijdtoneel kenmerkt, te omzeilen. Zelfs als vijandelijke troepen stoorzenders inzetten (ook explosies leveren omdat er ionen ontstaan veel elektrostatische ruis op), wordt het zo voor Amerikaanse militairen mogelijk om contact te houden met elkaar en de gevechtsleiding. De benodigde zendvermogens worden ook veel kleiner. Tegelijkertijd wordt de datatransmissiesnelheid veel groter. Dit maakt deze techniek uiteraard ook uiterst interessant voor civiel gebruik. Op dit moment is interferentie een enorm probleem. Je kan veel meer doen met dezelfde bandbreedte als iedere zender en ontvanger hun eigen afgeschermde kwantumkanaal hebben. Dit zou wel eens de fysische doorbraak kunnen zijn die nodig is voor echt grootschalige draadloze communicatie.
Militaire geheimhouding?
Uiteraard is de militaire gigant Raytheon, onder meer nauw betrokken bij de omstreden mega-radiozender HAARP, niet erg mededeelzaam over hoe deze techniek precies werkt, maar het schijnt mogelijk te zijn zelfs nadat de verstrengeling verbroken is, nog wat restinformatie uit het foton te halen. Deze restinformatie wordt klaarblijkelijk benut bij dit proces.
Veel magische en animistische rituelen kennen elementen die minder onlogisch zijn dan ze op het eerste gezicht lijken. Zo kent onder meer kwantumverstrengeling een aantal gevolgen die aan magie en paranormale gebeurtenissen doen denken. Aan de andere kant zijn er ook beweringen en claims die in strijd zijn met de uitkomsten van wetenschappelijke experimenten. Het eerste deel in een serie.
Het ‘laden’ en ‘lezen’ van voorwerpen
Het beruchte medium Jomanda, maar ook andere zelfverklaarde paranormaal begaafden doen aan “instraling” van water en andere voorwerpen. Ook claimen ze in staat te zijn een voorwerp, bijvoorbeeld van een vermiste, te lezen met hun handen en zo op paranormale wijze meer te weten te kunnen komen van die persoon.
Medium Jomanda werd door de rechter veroordeeld vanwege haar rol bij de dood van Sylvia Millecam.
Hierbij claimen ze dat de het voorwerp laden met positieve energie. Beoefenaars van zwarte magie beweren ziekte en ongeluk, of een liefdesbetovering, over te kunnen stralen door voodoo. Dit geloof is hardnekkig en komt overal ter wereld voor.
Het klassiek-wetenschappelijke antwoord op deze claim is eenvoudig: enorme flauwekul. De enige energie die over wordt gedragen tussen medium en bijvoorbeeld een steen is namelijk lichaamswarmte, of radioactieve straling als het bijvoorbeeld gaat om een brok zwaar-radioactief uraniumerts. Dit geldt zeker voor werking op afstand.
Kwantumverstrengeling
We weten echter uit experimenten met kwantumverstrengeling dat deeltjes met elkaar verstrengeld kunnen raken als ze met elkaar wisselwerken: kwantumverstrengeling. Dat wil zeggen dat deeltjes hun identiteit verliezen: metingen aan het ene deeltje maken het mogelijk de uitkomst van metingen aan het andere deeltje te voorspellen. Houdt het medium de steen of het water vast, dan raken sommige deeltjes in de steen of het water in contact, dus verstrengeld met de deeltjes van het medium. Of van iemand anders die de deeltjes vasthoudt, natuurlijk. Op die manier wordt er een bepaalde invloed van het medium op het voorwerp overgedragen. Omgekeerd zal ook het voorwerp een invloed op het medium overdragen.
In planten en dieren bestaat kwantumverstrengeling langer dan tot nu toe gedacht
Kwantumverstrengeling in het laboratorium duurt zeer kort, miljoensten van seconden in uiterst listige proefopstellingen, de reden dat de meeste natuurkundigen kwantumverstrengeling over langere tijdsduren als onmogelijk zien.
In dit categorische nee komen steeds meer barsten. Zo maken planten gebruik van quantum entanglement om fotosynthese zeer efficiënt uit te kunnen voeren. Uit onderzoek bij roodborstjes blijkt echter dat zij in staat zijn ook na langere tijd, tot twintig microseconden meer dan in een laboratorium, kwantumverstrengeling tussen twee elektronen in stand te houden. Roodborstjes maken hier gebruik van om wijzigingen in het aardmagnetisch veld (bijvoorbeeld omdat ze een andere richting opvliegen) vast te stellen. Het gaat hier nog niet om bevestigde onderzoeksresultaten, maar mocht dit kloppen, dan zou kwantumverstrengeling wel eens permanenter en alomvattender kunnen zijn dan wetenschappers tot nu toe dachten.
Ook kan kwantumverstrengeling van het ene deeltje op het andere deeltje “over worden gedragen”. Stel dat deeltje A verstrengeld is met deeltje B, dan kan deeltje B die verstrengeling overdragen op deeltje C. A is dan niet meer verbonden met B maar met C. Misschien dat kwantumverstrengeling zo langer in stand blijft dan in theorie kan. Misschien dat kwantumverstrengeling helemaal niet zeer kort duurt, maar dat de verstrengelde staat “verdoezeld” wordt omdat het deeltje ook met andere deeltjes verstrengeld raakt.
Er is nog helemaal geen wetenschappelijk onderzoek gedaan naar de gevolgen van massale kwantumverstrengeling tussen twee voorwerpen. Er zijn waarschijnlijk “emergente” fenomenen die we nog helemaal niet kennen die het gevolg zijn. Zouden deze emergente fenomenen lijken op paranormale verschijnselen? Zo kan je je bijvoorbeeld voorstellen dat er ritmische golven zijn van verstrengelingen en ontstrengelingen die zich met een bepaalde frequentie door voorwerpen voortplanten. In bijvoorbeeld de Belousov-Zhabotinsky reactie zorgen autokatalytische processen voor golven van verschillende chemische stoffen. Mogelijk bestaan er soortgelijke golven van kwantumverstrengeling. Of misschien bestaan er nog verfijnder mechanismen, ingewikkelder netwerken van verstrengeling. Hogere vibratieniveaus, zou een spiritueel persoon zeggen.
Kwantumverstrengeling waarnemen
Essentieel is natuurlijk dat het medium in staat is om kwantumverstrengeling onbewust of bewust waar te nemen. We weten al dat mensen in staat zijn grote-schaal kwantumverstrengeling met hun ogen waar te nemen. De effecten waar we het hier over hebben zijn echt extreem zwak en naar alle waarschijnlijkheid niet voor de mens waarneembaar. Hierbij zal de kwantuminformatie in het voorwerp op de een of andere manier moeten wisselwerken met het zenuwstelsel van het medium (of, als je de aanwezigheid van een astraal lichaam veronderstelt, ook al uiterst dubieus volgens wat we nu weten, via dat astrale lichaam met het zenuwstelsel). Dit is een stuk lastiger in overeenstemming te brengen met wat we weten van kwantummechanica of de rest van de natuurkunde. Mediums zouden dan in staat moeten zijn een zelfs op atoomniveau uiterst zwak effect te vergroten tot een waarneembare schaal, een factor van 1015 of meer hoger. Sommige vogels zijn er – zo lijkt het – echter, ongelooflijk genoeg, toe in staat. Dus wie weet is dit oordeel voorbarig.
Volgens de uiterst omstreden theorie Orch-OR van wiskundige Roger Penrose vormen de kleine microtubuli in onze zenuwcellen kleine kwantumcomputers. Kwantuminformatie zou dan via de oogzenuwen en handen door het lichaam van het medium heen richting de hersenen kunnen reizen. Of misschien via de atomen die ons lichaam vormen. Misschien is wat spirituele mensen onder astraal lichaam verstaan, een hogere trillingstoestand, een gemeenschappelijke verstrengelingstoestand, van de kwantumdeeltjes waaruit ons lichaam bestaat. Dit uiterst speculatief noemen is een enorm understatement. Aan de andere kant: de natuur heeft al eerder wetenschappers voor stevige verrassingen gesteld en reken maar dat er evolutionaire druk staat op het ontwikkelen van een vermogen om op welke reden dan ook gevaren te zien aankomen, als dit in theorie mogelijk is.
Aan kwantumverstrengeld licht merk je als buitenstaander niets. Alleen als je de effecten van twee bundels verstrengelde deeltjes met elkaar vergelijkt, kan je uitvinden dat er een correlatie is. Een slimme uitvinder bedacht een toepassing. Onmerkbaar kwantumgemerkt licht…
Kwantumverstrengeling
Kwantummechanica is niet-deterministisch: het is niet mogelijk exact te voorspellen wat er uitkomt als je een kwantumdeeltje meet. Een gruwel in de ogen van elke rechtgeaarde natuurkundige. Einstein bedacht daarom de Einstein-Podolsky-Rosen paradox om Niels Bohr en zijn kwantummechanica voor eens en voor altijd te ontkrachten. Als je twee kwantumdeeltjes met elkaar verstrengelt en vervolgens laat gaan, bepaalt de meting aan het ene deeltje hoe het andere deeltje zich gedraagt. Ook al bevinden deze deeltjes zich honderden kilometers uit elkaar (het meetrecord staat nu op 144 km). Deze invloed (als dat het is) reist sneller dan het licht, onmogelijk volgens de relativiteitstheorie.
Onzichtbaar gemerkt licht
Het hoe en waarom achter kwantumverstrengeling bezorgt natuurkundigen al tachtig jaar hoofdpijn. Wat uitvinders niet belemmert in het ontwikkelen van toepassingen van dit merkwaardige verschijnsel.
Ruis en slecht zicht is een enorm probleem op een slagveld. Amerikanen denken dit met kwantumverstrengeling op te kunnen lossen.
Zo is op dit moment al kwantumcryptografie in ontwikkeling: wie probeert kwantumverstrengelde fotonen af te luisteren, vernietigt de kwantumverstrengeling. De zender en ontvanger weten zo direct of er tijdens het zenden van de boodschap mee is geknoeid. Na Wikileaks vermoedelijk de droom van menig politicus. Een meer spectaculaire toepassing is het gebruiken van onzichtbaar gemerkt licht. Als verstrengeld licht terugkaatst, zou iemand hieraan kunnen zien dat het afkomstig is van de waarnemer zelf en dat het niet om licht uit andere bronnen gaat.
Zeker tijdens de regering-Bush zat DARPA, het onderzoeksinstituut van het Pentagon niet om geld verlegen, dus bedacht natuurkundige Seth Lloyd van het Massachusetts Institute of Technology een methode om kwantumverstrengeling op een voor militair gebruik interessante manier te gebruiken. Op een slagveld is waarnemen lastig en zitten signalen vol ruis: het onderwerp van een DARPA-onderzoeksprogramma waar Lloyd graag voor in aanmerking wilde komen. Bij het wiskundig uitwerken van zijn voorstel ontdekte hij iets absurds: de techniek werkte het beste als de kwantumverstrengeling al verbroken was. De scanner verstrengelt fotonen door met een fotonisch kristal één foton in twee -verstrengelde- fotonen te veranderen en zendt deze uit. Met een zeer gevoelige detector wordt van het teruggekaatste licht gemeten in hoeverre het kwantumverstrengeld is.
In theorie kan hiermee een miljoenmaal scherper beeld worden verkregen, aldus Lloyd. Hij verwachtte in februari 2009 dat het uiteindelijke apparaat binnen enkele jaren klaar was om te testen. Militairen zijn doorgaans niet erg mededeelzaam over strategisch gevoelige technologie, dus de stilte sindsdien kan mogelijk betekenen dat het apparaat of een kansloze mislukking, of juist een erg groot succes is…
Voor het eerst zijn onderzoekers van de Engelse universiteit van Oxford er in geslaagd om tien miljard deeltjes tegelijkertijd met elkaar te verstrengelen. Dit is een belangrijke doorbraak voor kwantumcomputers, maar er zijn meer gevolgen. Veel meer. Zo komt het moment dichterbij dat we er eindelijk achter kunnen komen wat grote schaal kwantumverstrengeling voor fysische effecten heeft in het dagelijks leven.
Silicium in een extreem sterk magnetisch veld
Het experiment werd uitgevoerd in silicium, het materiaal waar op dit moment alle computerchips van vervaardigd worden. Het silicium werd geplaatst in een extreem sterk magnetisch veld. Het silicium bevatte (in vaktermen: was gedoopt met) een groot aantal fosforatomen. Alle elektronen vormen gewoonlijk paren waarbij elke partner een tegengestelde spin heeft. Fosfor heeft een oneven aantal elektronen dus is er een vrij, ongebonden elektron.
De onderzoekers slaagden er in van dat vrije elektron de elektronspin (spin is een kwantumeigenschap die je het beste kan vergelijken met draairichting, al zijn er in de kwantumwereld maar twee draairichtingen, omhoog en omlaag en dat ook nog in stappen van een half tot maximaal plus of min twee) te verstrengelen met de spin van de atoomkern van fosfor. Draaiende elektrisch geladen dingen, dus ook deeltjes zoals de negatieve elektronen en de positieve atoomkernen, wekken een magneetveld op. Dit is ook de reden van het sterke magnetische veld, hiermee worden alle elektronen gedwongen in precies dezelfde richting te tollen, de atoomkernen in precies de omgekeerde richting.
Bij verstrengeling beïnvloeden deeltjes elkaar op spookachtige wijze. Dat wil zeggen: als een spin-meting aan het elektron werd uitgevoerd en dit blijkt omhoog te draaien, dan zal de atoomkern omlaag draaien (bij een omgekeerd meetresultaat uiteraard andersom). We kunnen niet voorspellen wat de uitkomst van de eerste meting is maar, zodra we die weten, wel wat de uitkomst is van de tweede meting. Kwantumsystemen zijn extreem gevoelig voor verstoringen – de reden dat kwantumverstrengeling gewoonlijk slechts miljardsten van secondes duurt. Daarom is het belangrijk een groot aantal deeltjes tegelijkertijd te kunnen kwantumverstrengelen, zodat geen fouten optreden bij berekeningen in een kwantumcomputer als er een kwantumverstrengeling wordt doorbroken.
Hoe werkt een kwantumcomputer?
Een “gewone” computer werkt met bits, nullen en enen. Schakelaars kunnen alleen op nul of een staan. Eén schakelaar vormt dus één bit. Kwantumcomputers zijn fundamenteel anders. Ze werken niet met bits, maar met qubits. Een qubit neemt door de kwantumonzekerheid alle mogelijke waarden tegelijkertijd aan.
Volgens kwantumcomputer-pionier David Deutsch werken ontelbare parallelle heelallen samen in een kwantumcomputer.
Je weet niet of er nul of een uitkomt als je een qubit meet, alleen de kans dat de qubit nul of een wordt (bijvoorbeeld: driekwart kans op een nul).
Interessant aan kwantumcomputers is dat hun rekensnelheid (m.a.w. informatieinhoud) met elke extra qubit niet met één eenheid toeneemt, zoals bij een klassieke computer, maar exponentieel.
U leest het goed: een kwantumcomputer met acht qubits heeft niet twee keer zoveel, maar 24 is zestien maal zoveel rekencapaciteit als eentje met vier qubits. Probleem is wel dat de levensduur van de kwantumtoestand gedeeld wordt door het kwadraat van het aantal qubits. Tien verstrengelde qubits blijven dus honderd keer zo kort in de gewenste toestand als één qubit. Al rekent een quantumcomputer heel snel, je moet er dus wel heel snel mee klaar zijn.
David Deutsch, een pionier op het gebied van quantumcomputing en ook fervent aanhanger van de veel-werelden kwantuminterpretatie, denkt dat dit komt omdat er in parallelle heelallen kopieën van de kwantumcomputer staan die allen met elkaar samenwerken om tot de uitkomst te komen. Hoe meer qubits, hoe meer parallelle heelallen “af worden getapt”.
Massa-effecten van kwantumverstrengeling.
Op dit moment is er voor zover aan schrijver dezes bekend nog nooit theoretisch werk gedaan naar de statistische interpretatie van massale kwantumverstrengeling. Stel dat alle deeltjes in voorwerp A worden verstrengeld met alle deeltjes in voorwerp B. Beide voorwerpen zitten in een sterk magnetisch veld. Stel dat voorwerp A linksom gaat draaien. Dan zou de uitkomst van metingen aan de deeltjes in voorwerp B (in de praktijk: elke koppeling van de deeltjes aan de boze buitenwereld van voorwerp B) vaststaan en… beïnvloed worden. Op deze vraag zal in een vervolgartikel ingegaan worden. Misschien dat met kwantumverstrengeling namelijk één van de allergrootste raadsels in de natuurkunde opgelost kan worden…
