Kwantumverstrengeling, een fenomeen dat ooit door Albert Einstein werd afgedaan als ‘spookachtige actie op afstand’, is geëvolueerd van een theoretische paradox naar een hoeksteen van de moderne kwantumtechnologie. Het debat rond deze bizarre eigenschap van de kwantummechanica, die het mogelijk maakt dat deeltjes gecorreleerd blijven, ongeacht de afstand, heeft tientallen jaren van onderzoek gestimuleerd dat culmineert in praktische toepassingen zoals ultraveilige communicatie en geavanceerde computers.
De oorsprong van de “griezeligheid”
In de jaren twintig trok Einstein, samen met Boris Podolsky en Nathan Rosen, de volledigheid van de kwantumtheorie in twijfel. Ze voerden aan dat als de kwantummechanica correct zou zijn, dit een onmiddellijke verbinding tussen verstrengelde deeltjes impliceerde, wat in strijd was met het principe van lokaliteit – het idee dat een object alleen rechtstreeks wordt beïnvloed door zijn directe omgeving. Dit bracht hen ertoe het bestaan van ‘verborgen variabelen’ voor te stellen die het gedrag van deeltjes vooraf zouden bepalen, waardoor de noodzaak voor onmiddellijke beïnvloeding zou worden geëlimineerd.
Natuurkundige John Stewart Bell ontwikkelde echter in de jaren zestig een test om te bepalen of deze verborgen variabelen echt bestonden. De stelling van Bell voorspelde dat als lokaal realisme (de combinatie van lokaliteit en verborgen variabelen) waar zou zijn, bepaalde statistische correlaties tussen verstrengelde deeltjes beperkt zouden zijn.
Het experimentele oordeel
Tientallen jaren van experimenten, met name die uitgevoerd door Ronald Hanson van de Technische Universiteit Delft en anderen, hebben op beslissende wijze bevestigd dat de ongelijkheden van Bell worden geschonden. De experimenten uit 2015, die drie natuurkundigen de Nobelprijs voor 2022 opleverden, bewezen dat kwantumcorrelaties sterker zijn dan welke lokale realistische theorie dan ook zou kunnen toestaan. Zoals Marek Żukowski van de Universiteit van Gdańsk het verwoordde: “Dat was de laatste nagel aan de doodskist van al die ideeën.”
Dit betekent dat verstrengelde deeltjes een verbinding vertonen die de afstand en de klassieke natuurkunde overstijgt. Ze zijn niet alleen gecorreleerd door gedeelde informatie uit het verleden; hun lot is met elkaar verweven op een manier die het conventionele begrip te boven gaat.
Van paradox naar praktisch
De acceptatie van niet-lokaliteit heeft toepassingen in de echte wereld ontsloten. Het werk van Hanson, aanvankelijk bedoeld als een test voor kwantumvoordeel, maakte de weg vrij voor kwantumcryptografie. Door gebruik te maken van verstrengelde deeltjes is het mogelijk om communicatienetwerken te creëren die theoretisch onhackbaar zijn, omdat elke poging om de transmissie te onderscheppen de verstrengeling zou verstoren en de gebruikers onmiddellijk zou waarschuwen.
Quantum computing is ook sterk afhankelijk van verstrengeling. Verstrengelde qubits – het kwantumequivalent van bits – maken berekeningen mogelijk die onmogelijk zijn voor klassieke computers. Onderzoekers onderzoeken actief hoe ze verstrengeling kunnen benutten om krachtigere en efficiëntere algoritmen te creëren.
‘Je kunt niet ontsnappen aan non-lokaliteit’, zegt Jacob Barandes van de Harvard Universiteit, waarmee hij onderstreept dat dit fundamentele aspect van de kwantummechanica niet alleen een theoretische curiositeit is, maar een fundamenteel principe voor toekomstige technologieën.
Verstrengeling blijft een onderwerp van lopend onderzoek, waarbij natuurkundigen de onderliggende aannames van Bells werk blijven onderzoeken. Het is echter al overgegaan van een filosofisch debat naar een krachtig instrument voor innovatie.
De aanvankelijke weerstand tegen kwantumnon-lokaliteit heeft plaatsgemaakt voor een nieuw tijdperk waarin het omarmen van deze ‘spookachtigheid’ de vooruitgang stimuleert op het gebied van veilige communicatie, geavanceerde computers en een dieper begrip van het universum zelf.
