Uitwisseling van kwantumtoestanden tussen A en B zonder verstrengeling
Kwantum-verstrengeling tussen een zender en een ontvanger, laten we ze Jan en Truus noemen, is mogelijk via een niet-verstrengelde klassieke informatiedrager, zo hebben drie onderzoeks-groepen onafhanklijk van elkaar vastgesteld. Dat had de fysicus met de in dit verband opmerkelijke naam Toby Cubitt, destijds werkzaam bij het Duitse Max Planck-instituut voor kwantumoptica, al in 2003 voorspeld. Kwantumverstrengeling is een manier om als geheim of privaat bedoelde communicatie ook daadwerkelijk geheim of privaat te houden en geldt als ‘onbreekbaar’.
Verstrengeling is een van die voor een normaal mens volstrekt onbegrijpelijke verschijnselen, waarbij de eigenschappen van twee van elkaar gescheiden deeltjes aan elkaar gekoppeld zijn. Die verstrengeling wordt een grote toekomst toegedacht in de beveiliging van gegevensoverdracht. Truc daarbij is dat als een onverlaat zich toegang verschaft tot de gegevensstroom, dat altijd wordt opgemerkt, doordat daardoor de kwantumtoestand wordt verstoord.
In de zogeheten kwantumcryptografie wordt altijd het voorbeeld van Jan en Truus (of vaker Bob en Alice) aangehaald. Dat tweetal wil informatie veilig kunnen uitwisselen. Ze gebruiken daarbij een systeem dat verstrengelde deeltjes creëert. Als Jan een willekeurige reeks deeltjes met een bepaalde eigenschap creëert, dan ziet Truus resultaten die daarmee overeenkomen. Overeen moeten komen. Als dat niet zo is, is er stront aan de knikker.
Groot probleem bij dit ‘feilloze’ systeem (het schijnt niet onbreekbaar te zijn) is de zogeheten decoherentie: de verbreking van de verstrengeling door wisselwerking met de omgeving (de grond dus voor het beveiligen van informatieoverdracht). Daardoor moet een verstrengeld systeem totaal afgesloten zijn van zijn omgeving, een lastige zo niet onmogelijk klus.
Het onlangs in het blad Physical Review Letters gepubliceerde onderzoek van de drie groepen houdt beloften in om verstrengeling te stabiliseren met behulp van een informatiedrager die zelf niet is verstrengeld met beide in oorsprong verstrengelde deeltjes.
In de experimenten werd gebruik gemaakt van zogeheten ‘scheidbare kwantumtoestanden’ die een verband hebben maar niet verstrengeld zijn (nee, het wordt er allemaal niet veel begrijpelijker op). Die scheidbare toestanden werden in 1989 voor het eerst gedefinieerd door natuurkundigen die probeerden te begrijpen hoe dat zat met verstrengelde toestanden. In dit geval polariseert Truus een foton (lichtdeeltje) in een bepaalde richting: laten we zeggen verticaal. Ze gebruikt dan een gewoon ouderwets communicatiemiddel, bijvoorbeeld de telefoon, om Jan te zeggen dat hij een foton horizontaal moet polariseren. Beide fotonen zijn scheidbaar en niet verstrengeld. In 2003 berekende Toby Cubitt dat, in sommige gevallen, scheidbare toestanden kunnen worden gebruikt verstrengeling te creëren.
Nu hebben Alessandro Fedrizzi van de Australische universiteit van Queensland en zijn medewerkers, de uitslag van de rekenpartij van Cubitt bevestigd in het lab. De proef begint met Jan en Truus, in Australië natuurlijk weer Bob en Alice, die een paar verstrengelde fotonen delen (A en B in de afbeelding). De verstrengeling gaat teloor door wat dan ook. Dat betekent dat A en B scheidbare kwantumtoestanden hebben, omdat ze op en een of andere manier toch nog een ‘relatie’ hebben (vraag me niet hoe). Een derde foton, C, dat ook in een scheidbare toestand verkeert dient als drager. Alice verstuurt A en C via een kwantumpoort. Hierdoor interfereert A met B, waarbij er een verband ontstaat, maar nog geen verstrengeling. Dan gaat C naar Bob die het deeltje combineert met zijn B. Het resultaat is dat A en B verstrengeld worden, terwijl C dat niet is geweest, met geen van beide fotonen. C heeft de verstrengeling ‘overgebracht’. Volgens de onderzoekers is deze manier van stabilisering van de verstrengeling bestand tegen ruis en in sommige gevallen de enige manier om verstrengeling te behouden in een ruisomgeving.
De tweede groep rond Christian Peuntinger van het Max Planck-instituut voor licht deed iets soortgelijks. Hij gebruikte de onzekerheidsrelatie van Heisenberg tussen de golfamplitude en de golffase van fotonen in twee bundels (A en C). Weer draagt C de informatie over de verstrengeling naar B over, maar is zelf niet verstrengeld. De derde groep rond Christina Vollmer en Roman Schnabel van het Duitse Albert Einstein-instituut deden ook soortgelijk onderzoek, maar daarnaast ‘mengden’ ze een deel van het systeem met een externe omgeving. Alle drie de groepen kwamen tot de conclusieodat scheidbare kwantumtoestanden kunnen worden gebruikt om verstrengelde toestanden te dragen. Die techniek zou van pas kunnen komen als er meer dan twee partijen met elkaar moeten communiceren, maar ook om wat meer greep te krijgen op dat bizarre ‘begrip’ (niet in de zin van begrijpen) verstrengeling en hoe die zich gedraagt in een ‘lawaaiige’ en/of klassieke omgeving.
Bron: Phyiscs World