‘Hoe het eruit zal zien weet ik niet. Nieuwe technologie ontwikkelt zich meestal anders dan we ooit voor mogelijk hielden. Wat ik wel weet, of beter gezegd, wat ik geloof is dat de informatie- en communicatietechnologie van morgen gebaseerd zal zijn op kwantumfysica. Meer specifiek op ‘verstrengeling’, een fenomeen waarbij twee deeltjes onderling verbonden zijn tot op grote afstand van elkaar, een verschijnsel dat Einstein spookachtig noemde.’

Dr. Anton Zeilinger is hoogleraar experimentele fysica aan de Universiteit van Wenen en een van de meest toonaangevende kwantumfysici in de wereld. Een reputatie die niet in de laatste plaats is gebaseerd op het feit dat hij en zijn medewerkers er in 1998 als eerste in slaagden om een foton te ‘teleporteren’. Dat wil zeggen over te brengen van de ene oever van de Donau naar de andere. Hij schreef er een populair-wetenschappelijk boek over (Einstein’s Spuk), waarvan de Nederlandse vertaling onder de titel ‘Teleportatie’ eind september verschijnt bij Uitgeverij Veen Magazines.

Het boek is, zo zegt hij in een telefonisch interview, niet zozeer een vervolg op zijn eersteling voor een groot publiek (in Nederland verschenen onder de titel ‘Toeval’), als wel een nadere toelichting op een aantal onderdelen. ‘Vooral het verschijnsel ‘verstrengeling’ riep bij mensen nogal wat vraagtekens op. Logisch, want, zoals Erwin Schrodinger indertijd al zei, ‘verstrengeling dwingt ons om onze ideeën over de werkelijkheid overboord te gooien’.’

Hoewel Zeilinger in zijn nieuwe boek geen kwantumfysisch onderwerp uit de weg gaat, is teleportatie de rode draad. ‘Voor trouwe kijkers naar Star Trek is teleportatie geen onbekend fenomeen’, vertelt hij. ‘Science fiction auteurs hebben het uitgevonden om mensen in een handomdraai van de ene plek naar de andere te brengen en zo het probleem van de enorme afstanden in de ruimte te overwinnen. Een bijkomend voordeel is dat ze geen ingewikkelde en dure ‘special effects’ nodig hebben om ruimteschepen te laten landen en opstijgen van vreemde planeten.’

Heisenberg Compensator

Om zijn mede-bemanningsleden op te stralen maakt Scotty uit Star Trek gebruik van een cabine waarin ze geheel worden gescand om alle noodzakelijke informatie te verzamelen. Op de gewenste plek verschijnt ogenblikkelijk een exacte replica van het betreffende bemanningslid. Zeilinger: ‘Leuk gevonden natuurlijk, maar deze vorm van teleportatie is volgens het onzekerheidsprincipe van Heisenberg onmogelijk. Hij heeft bewezen dat het onmogelijk is om tegelijkertijd plaats en moment van een object vast te stellen. De makers van Star Trek realiseerden zich dat ook en hebben daarom de Heisenberg Compensator bedacht, een apparaat dat op miraculeuze wijze het onzekerheidsprincipe overwint.’

De Heisenberg Compensator behoort tot het domein van de science fiction, zeker als het gaat om het ‘opstralen’ van ingewikkelde objecten, zoals een mens. Mocht er ooit een gebouwd worden, dan zal de werking waarschijnlijk berusten op het verschijnsel ‘verstrengeling’, ook wel genoemd het EPR-effect. De afkorting EPR staat voor de namen Einstein, Podolsky en Rosen, auteurs die zeventig jaar geleden, in 1935, een artikel publiceerden over wat Einstein zelf altijd een ‘spookachtige werking op afstand’ heeft genoemd.

Paradox

In genoemd artikel bespreken de drie fysici een gedachte-experiment, waarbij ze uitgaan van twee identieke deeltjes, elektronen bijvoorbeeld of fotonen, die met elkaar in wisselwerking zijn. Ze hebben bijvoorbeeld een tegengestelde spin, zoals in geval van elektronen of eenzelfde polarisatierichting in geval van fotonen. Als de deeltjes elk hun eigen weg gaan, kun je van beiden exact de plaats vaststellen. Je kunt ook van beiden de impuls (vliegsnelheid en –richting) vaststellen. Je kunt echter niet van elk deeltje afzonderlijk plaats en impuls vaststellen, want daar verzet Heisenberg zich tegen.

Wanneer je van het ene deeltje de impuls en van het andere de plaats meet, zou je van beiden zowel plaats en impuls exact vast kunnen stellen. Ook daartegen verzet zich het Heisenbergprincipe. De paradox kun je alleen maar verklaren door aan te nemen dat de plaats van het ene deeltje vastligt op het moment dat je de plaats van het andere deeltje meet, onafhankelijk van de afstand tussen de deeltjes. De impuls van het tweede deeltje is dan niet meer exact vast te stellen, waarmee wel is voldaan aan het onzekerheidsprincipe. Het betekent echter wel dat beide deeltjes op een bijzondere manier gekoppeld, ofwel ‘verstrengeld’ zijn.

Teleporteren over de Donau

Zeilinger en zijn medewerkers hebben medio jaren negentig gebruik gemaakt van verstrengeling om een foton over de Donau te ‘teleporteren’. Daarvoor gebruikten ze een bron die paren van identieke fotonen (A en B) produceert. Deze zijn verstrengeld wat betreft hun polarisatierichting. Dat wil zeggen dat als de polarisatierichting van het ene foton is bepaald, meteen ook die van het andere foton vastligt.

De verstrengelde fotonen A en B worden elk een andere kant op gestuurd via glasvezelkabels. In geval van het Donau-experiment was dat een paar honderd meter, maar het kan ook een oneindig grote afstand zijn. Om een derde foton X, waarvan de polarisatietoestand onbekend is, te teleporteren gebruikte Zeilinger de verstrengelde fotonen A en B als vehikel. Eerst wordt aan de ene kant van de oever de polarisatie gemeten van foton A en X gezamenlijk. Zeilinger: ‘Daarmee is niet bekend wat van beide deeltje afzonderlijk de polarisatie is, we weten alleen of beide dezelfde of een verschillende polarisatie hebben.’

Die meting heeft echter invloed op het verstrengelde deeltje B. Dat verandert zo dat het een zelfde resultaat zal produceren wanneer het samen met hetzelfde deeltje X wordt gemeten. B bevat dus informatie over X. Om die informatie te bemachtigen heeft de waarnemer alleen de uitkomst van de eerdere meting aan de andere kant van de Donau nodig. Die krijgt hij  langs klassieke weg via de telefoon. De uitkomst bepaalt of en hoe de polarisatie van B moet worden veranderd, waarna B dezelfde polarisatie heeft als X, oftewel, X is geteleporteerd. ‘Dat wil dus niet zeggen dat de polarisatie van X bekend is, die weten we dan nog steeds niet. We weten alleen dat de polarisatietoestand van X aan weerzijden van de Donau dezelfde is.’

Identiteit

De vraag is of er niet alleen informatie is overgedragen, zij het buitengewoon gedetailleerde informatie. Zeilinger: ‘Die constatering leidt tot de filosofische vraag naar het wezen van een object. Hoe weet je bijvoorbeeld dat je auto waar je ’s morgens in wegrijdt, dezelfde is als die je de avond ervoor in de garage hebt gezet. Dat weet je omdat hij in alle opzichten hetzelfde is. Misschien is je auto ‘s nachts atoom voor atoom vervangen, inclusief de kwantumtoestand. Is het dan een andere auto? Ik denk het niet; identiteit houdt niet meer in dan dat alle kenmerken en eigenschappen hetzelfde zijn.’

Op de vraag of het ooit mogelijk zal zijn om, zoals in Star Trek, mensen te teleporteren antwoordt Zeilinger met een hartgrondig ‘nee’. ‘Stel dat het mogelijk zou zijn om iemand in een kwantumtoestand te brengen – dat is het overigens niet – dan nog is teleportatie niet mogelijk omdat je zo iemand moet verstrengelen met een ander mens. Dat betekent dat geen enkele eigenschap van die personen gedefinieerd is. Pas als de waarnemer vaststelt dat een van de twee zwart haar heeft, blijkt dat de ander dat ook heeft. Alleen daarom al moet ik je afraden om geld te steken in bedrijven die beweren dat ze transportproblemen kunnen oplossen door teleportatie.’

Cryptografie

Waar wel toepassingen liggen is in de informatietechnologie. Zowel in de Verenigde Staten als in Europa wordt onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van kwantum cryptografie, het versleutelen van berichten door gebruik te maken van verstrengelde fotonen. Met zijn toenmalige groep in Innsbruck slaagde Zeilinger erin een methode te ontwikkelen om een gedigitaliseerde foto van de Venus van Willendorf (een beroemde archeologische vondst) te versleutelen. Daarbij maakte hij gebruik van verstrengelde fotonen, waarbij zender A en ontvanger B steeds elk een helft van zo’n fotonenpaar krijgen. Vervolgens wordt het oorspronkelijke beeld gemengd met de ene helft van het fotonenpaar. De versleuteling is alleen op te heffen met het andere fotonenpaar. Zelfs als het versleutelde bericht wordt onderschept is het niet te ontcijferen, zonder het bericht te vernietigen. Zeilinger verwacht dat kwantumcryptografie binnen enkele jaren zal worden toegepast.

Een toepassing die wat verder weg ligt, is de veelbesproken kwantumcomputer. Onderzoekers van het Kavli Instituut in Delft lieten deze zomer weten dat ze in staat waren om de draairichting (de spin) van een individueel elektron te controleren. Daarmee zetten ze een belangrijke stap op weg naar de kwantumcomputer. Zeilinger: ‘Op het gebied van kwantum computers zijn allerlei opwindende ontwikkelingen gaande. Fundamenteel staat niets de ontwikkeling in de weg, maar hoe zo’n computer er uit zal gaan zien is nog een open vraag. Hij kan zijn gebaseerd op elektronen, maar met dezelfde moeite zijn het fotonen of misschien wel atomen. Dat kun je nu nog niet voorspellen. Meestal ziet een nieuwe technologie er anders uit dan je tien, twintig jaar daarvoor had gedacht.’

Eenrichtingscomputer

Hoewel de kwantumcomputer zijn eerste sommetjes nog moet maken, verwacht Zeilinger  dat gebruik ervan grote invloed zal hebben op de manier waarop we omgaan met informatie. ‘Een gewone computer fungeert als een doos, die de informatie die je erin stopt, bewerkt en vervolgens de uitkomsten presenteert. Een input-output model. De kwantumcomputer maakt het mogelijk om een éénrichtingscomputer te ontwerpen, dat wil zeggen een computer die alle mogelijke oplossingen van alle problemen al bevat in de vorm van een complexe verstrengelde kwantumtoestand van heel veel bits. Als je een specifiek probleem op wilt lossen meet je de toestand van één kwantumbit, waarna de oorspronkelijke toestand overgaat in een nieuwe verstrengelde toestand. Vervolgens doe je weer een meting, en nog een en nog een tot je uiteindelijk het meetresultaat hebt.’

De eenrichtingscomputer doet hem denken aan het verhaal ‘De Bibliotheek van Babel’ van Jorge Luis Borges, een bibliotheek die alle boeken bevat die ooit geschreven zijn en nog geschreven zullen worden. ‘De kwantumtoestand van de eenrichtingscomputer is als het ware een oneindige bibliotheek. Hij bevat alle mogelijke uitkomsten en door waar te nemen dwing je hem om het goede resultaat te tonen. De kwantumcomputer betekent een fundamentele wijziging van ons idee wat rekenen eigenlijk inhoudt. Alle oplossingen zijn aanwezig; de kunst is om de goede vragen te stellen in de juiste volgorde.’

Spookachtig

De kwantumfysica en dan vooral het fenomeen ‘verstrengeling’ heeft vergaande gevolgen voor ons wereldbeeld. Daarvoor moeten we weer even terug naar het artikel dat Einstein, Podolski en Rosen schreven over het ‘spookachtige’ effect op afstand van twee verstrengelde deeltjes. Einstein dacht, of beter gezegd, hoopte op een fysische verklaring van het fenomeen, bijvoorbeeld dat de deeltjes beschikken over eigenschappen die ervoor zorgen dat de meetuitkomst vastligt.

Halverwege de jaren zestig bewees fysicus John Bell echter dat die aanname niet kan kloppen, waarmee hij een bom legde onder het klassieke wereldbeeld, dat verschijnselen een eenduidige oorzaak hebben (realisme) en de lichtsnelheid niet overtreden kan worden (lokaliteit). Volgens Zeilinger een ontdekking vergelijkbaar met die van Copernicus die vijfhonderd jaar geleden het oude wereldbeeld waarin de aarde het middelpunt is van het heelal omver kegelde. ‘Het enige verschil is dat we nog geen alternatief wereldbeeld hebben, dat met de feiten overeenstemt’, zegt Zeilinger.

Veel mensen, waaronder ook vooraanstaande fysici hebben moeite met de ineenstorting van het lokaal-realisme. De Nederlandse astronoom Vincent Icke bijvoorbeeld zei enkele jaren geleden in een interview in de Groene Amsterdammer, dat er nog nooit communicatie-sneller-dan-het-licht is aangetoond. Van de experimenten die het theorema van Bell ondersteunen was hij niet onder druk. Volgens hem konden deze worden verklaard door uit te gaan van ‘voorwaardelijke waarschijnlijkheden’. Als je in een schoenwinkel een rechterschoen uit het rek pakt, kun je er vrij zeker van zijn dat de bijbehorende linkerschoen niet ver uit de buurt zal zijn.

Oude schoenen

Geconfronteerd met deze opmerking reageert Zeilinger in eerste instantie geïrriteerd. ‘Het lijkt erop dat hij geen benul heeft van wat verstrengeling inhoudt’, zegt hij. ‘De vergelijking met schoenen is platvloers. Bij verstrengeling gaat het niet om de vraag of je een linkerschoen bij een rechterschoen kunt vinden, maar om het bewijsbare feit dat je pas weet of het om een zwarte of bruine schoen gaat op het moment dat je ernaar kijkt. Alleen door waar te nemen dwing je de schoen om kleur te bekennen.’

In tweede instantie kan Zeilinger wel begrip opbrengen voor fysici die vasthouden aan het lokaal-realisme. ‘Conservatisme is gezond’, zegt hij. ‘Veel fysici redeneren dat je geen oude schoenen moet weggooien voor je nieuwe hebt. Dat geldt natuurlijk helemaal als het gaat om zoiets fundamenteels als ons concept van de werkelijkheid.’

Waar fysici moeite hebben met de ineenstorting van het lokaal-realisme wordt diezelfde ineenstorting omarmd door wat we voor het gemak maar ‘new age’-filosofen noemen. Googelen met de termen ‘verstrengeling’(Eng: ‘entanglement)  levert een onafzienbare rij verwijzingen op naar sites met oosterse mystiek. Zeilinger kan er niet mee zitten. ‘Als ik weer eens wordt aangesproken door een new age filosoof die begint over zelfhelende velden of zoiets, dan zeg ik altijd; ‘jongen, je probeert een verklaring te vinden voor iets dat we niet kunnen verklaren. De kwantumfysica is veel gekker dan iemand van ons zich voor kan stellen.’

Daarmee is niet gezegd dat een verklaring onmogelijk is. Zeilinger: ‘Zoals elke theorie die door mensen is bedacht zal ook de kwantumfysica op een gegeven moment worden vervangen door een andere theorie. Waarschijnlijk een theorie die nog gekker is dan de kwantumfysica. Voor het zover is zullen we echter een plausibele verklaring moeten vinden voor het spook van Einstein. Pas als we onze filosofische noties over wat werkelijkheid is op een rijtje hebben, ontstaat er ruimte voor nieuwe concepten en theorieën.’

De Ingenieur, november 2006