Suhail Zubairy: …ongeruimde kwantumcommunicatie…

Zo’n vier jaar geleden stelden kwantumtheoretici een opzet voor voor kwantumcommunicatie zonder dat daarvoor deeltjes werden overgedragen.  Nu schijnen onderzoekers de truc in het lab te hebben uitgevoerd. Er waren vier jaar geleden grote twijfels over de werkelijkheidswaarde van het voorstel, maar die zijn niet weggenomen met de huidige experimenten. Bij kwantummechanica is niks zeker aangezien metingen de zaken behoorlijk kunnen versjteren.

Dat voorstel werd gedaan door onderzoekers van de Texas A&M-universiteit en van de Koning Abdoelaziz-stad voor wetenschap en technologie uit Saoedi-Arabië rond Suhail Zubairy. Het idee is gestoeld op het duale karakter van licht: golf of deeltje (foton). Preciezer: het maakt gebruikt van het feit dat de aanwezigheid van een object dat de lichtbaan van een interferometer blokkeert kan worden afgeleid uit ‘instorten’ van de golffunctie van een naburig foton, ook al heeft dat geen fysiek contact met het foton. Het idee is ook gebaseerd op wat het kwantumzenoeffect wordt genoemd: herhaaldelijke metingen zouden een deeltje bijna zeker in zijn kwantumtoestand bevriezen, iets in die ordegrootte.

Bij het communicatieprotocol komen de roemruchte Bob en Alice weer tevoorschijn als zijnde de gebruikers van twee kwantumsystemen. Bob stuurt een bericht. Alice stuurt losse fotonen naar een reeks interferometers, bestaand uit een reeks bundelsplitsers en spiegels. Bij de laatste interferometer komen de fotonen terecht bij twee detectoren, waarvan Alice het resultaat kan aflezen. Ondertussen kan Bob kiezen of hij wel of niet schakelt naar een meetapparaat in de rechterlichtbaan van elke interferometer.
Als Bob dat wel doet, dan dwingt hij het lichtdeeltje van Alice zich als een deeltje te gedragen, waardoor het een bepaald pad volgt: of links of rechts door elke interferometer. Doordat de bundelsplitsers zeer spiegelend zijn en fotons altijd naar links gespiegeld worden, zorgt Bob, gebruikmakend van het kwantumZenoeffect, ervoor dat het foton in het linkerkanaal blijft als het door de interferometer flitst, wat effect heeft op de detector van Alice aan de rechterkant. Als Bob zijn meetapparatuur uitschakelt, dan ontwikkelt zich de golffunctie van het foton en eindigt dat in de linkerdetector.

Chocola

Als je hier geen chocola van kan maken, dan kunnen we elkaar de hand geven. Ik hoop niet dat ik het bericht al te zeer vermink. Hoe dan ook, de geleerden hebben bedacht dat Bob zo met Alice kan communiceren, zij weet of hij de meetapparatuur aanzet of niet zonder dat het foton van Alice bij Bob terecht hoeft te komen. Je zou zeggen dat daarmee de 1 of de 0 zijn overgebracht en die kennen we natuurlijk weer van de aloude digitale (tweetallige) computer.

In het echt schijnt de proef ietsje ingewikkelder te moeten zijn. De onderzoekers plaatsten nog een extra reeks interferometers in de rechterlichtbaan van een interferometer. Dat was nodig om er zeker van te zijn dat alle fotonen die het communicatiekanaal tussen Bob en Alice binnenkomen ook daadwerkelijk ‘verdwenen’ waren.
Niet iedereen vond die oplossing een afdoende manier om het bewijs van de deeltjesloze communicatie tussen Bob en Alice te leveren. Nadat Zubairy c.s. hun verhaal in het blad Physical Review Letters hadden gepubliceerd, stuurde Lev Vaidman van de universiteit van Tel Aviv een commentaar in, waarin hij stelde dat er alleen geen fotonen van Alice naar Bob werden verstuurd als Bob de meters zou hebben ingeschakeld. Als die uitgeschakeld zijn, dacht Vaidman, dan zou een zwakke (?; as) meting hebben aangetoond dat er fotonen in het kanaal aanwezig zijn. Volgens Vaidman hebben de onderzoekers rond Zubairy een naïef klassieke benadering van het verleden van fotonen. Volgens hem zou een afluisteraar tenminste een deel van de boodschap kunnen meekrijgen.

Test

Ondanks dat zetten Jian-Wei Pan van de Chinese universiteit van Hefei en medeonderzoekers een experiment op poten om de de mogelijkheid van een ongerijmde deeltjesloze communicatie te testen. Ze stellen wel in hun artikel in PNAS dat ze voor een waterdicht bewijs een oneindig aantal interferometers zouden moeten gebruiken, maar dat is natuurlijk weinig praktisch. In plaats daarvan gebruikten ze een vereenvoudigde opzet met twee interferometers en zonden ze elk foton vele malen heen en terug met behulp van nanosecondesturing en fasestabilisering.
Pan en de zijnen stuurden een eenkleurig plaatje over van 100 bij 100 bit van een Chinese knoop. Nadat ze vijf uur moeizaam elk van de tienduizend bits meermalen hadden verstuurd, bleek dat in 87% van de gevallen de juiste bit (zwart of wit) was overgekomen. Ze dachten dat ze de informatie aldus ’tegenfeitelijk’ (ongerijmd?) hadden verstuurd, met andere woorden: zonder dat er deeltjes verstuurd werden tussen zender en ontvanger.

Golffunctie

Toch denken ze als rechtgeaarde onderzoekers dat er meer proeven nodig zijn. Zo zou gekeken kunnen worden of er toch geen fotonen lekken door het communicatiekanaal. Het blijft een open vraag wat die informatie dan overbrengt als het niet de deeltjes (fotonen) zijn. Hatim Salih, Zubairy’s (voormalige) medewerker in Saoedi-Arabië, is er van overtuigd dat het de golffunctie is. Die golffunctie zou niet een wiskundige voorstelling zijn, maar iets ’tastbaars’.

Bron: Physics World