'Beam me up, data'
Mensen teleporteren zoals in de science-fictionfilm Star Trek, is volgens de natuurwetten niet mogelijk. Maar informatie teleporteren kan wel degelijk, dankzij de bijzondere wereld van de quantummechanica. Onderzoekers van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft zijn er, onder leiding van FOM-werkgroepleider Ronald Hanson, als eersten in geslaagd om informatie in een quantumbit trefzeker te verplaatsen naar een ander qubit drie meter verderop. De informatie reisde daarbij niet door de tussenliggende ruimte: teleportatie. De resultaten zijn op 29 mei in Science gepubliceerd.
Quantuminternet
De ontwikkeling is een belangrijke stap op weg naar een quantumnetwerk voor de communicatie tussen toekomstige supersnelle quantumcomputers – een quantum-internet. Quantumcomputers zullen bepaalde rekenproblemen waar supercomputers nu jaren over doen, in een oogwenk oplossen. Het quantum-internet moet een netwerk van quantumcomputers met elkaar verbinden. Daarnaast biedt het quantum-netwerk de mogelijkheid om informatie volledig veilig te versturen. Onopgemerkt afluisteren is in zo’n netwerk fundamenteel onmogelijk.
Einstein
De wetenschappers maken daarbij gebruik van een bijzonder fenomeen: verstrengeling. "Verstrengeling is misschien wel het vreemdste en meest intrigerende gevolg van de wetten van de quantummechanica", stelt Hanson. "Als twee deeltjes verstrengeld zijn, smelten hun identiteiten samen: hun gezamenlijke toestand is exact bepaald, maar de identiteit van elk afzonderlijk is verdwenen. De verstrengelde deeltjes gedragen zich als één, ook als ze ver van elkaar verwijderd zijn. In ons geval was dat drie meter, maar dat zou in theorie ook de andere kant van het universum kunnen zijn. Einstein geloofde deze voorspelling niet en noemde dit 'spooky action at a distance', maar talloze experimenten hebben laten zien dat de verstrengeling echt is."
100 procent
De groep van Hanson slaagde er als eerste in de wereld in om informatie te teleporteren tussen quantumbits in verschillende computerchips, door de beide quantumbits te verstrengelen. "Het bijzondere aan de methode die wij gebruiken, is dat de teleportatie met 100 procent zekerheid werkt. De informatie komt altijd aan, zogezegd. Daarnaast heeft de methode de potentie om ook met 100 procent nauwkeurigheid te werken", zegt Hanson.
Diamant
De onderzoeksgroep van Hanson maakt quantumbits met behulp van elektronen in diamant. "We gebruiken diamant, omdat daarin 'mini-gevangenisjes' voor elektronen worden gevormd als er een stikstofatoom op de plaats van één van de koolstofatomen zit. Omdat we deze gevangenisjes individueel kunnen bekijken, is het mogelijk om een individueel elektron en zelfs éen atoomkern te bestuderen en te controleren. We kunnen de spin (draairichting) van deze deeltjes in een vooraf bepaalde toestand klaarzetten, die spin controleren en vervolgens ook uitlezen. Dit alles doen we in materiaal waarvan chips gemaakt kunnen worden. Dat is belangrijk want velen geloven dat we alleen chip-based systemen kunnen opschalen naar een praktische technologie", licht Hanson toe.
Heilige Graal
Deze zomer is Hanson van plan het experiment te herhalen over een afstand van 1.300 meter, met chips die in verschillende gebouwen op de campus van de TU Delft staan. Dat experiment zou het eerste ter wereld kunnen worden dat voldoet aan de criteria van de loophole-free Bell test. Zo'n experiment zou het ultieme bewijs van Einstein's ongelijk over verstrengeling kunnen leveren. Verschillende onderzoeksgroepen, waaronder die van Hanson, jagen om als eerste een loophole-free Bell test te realiseren. De test geldt binnen de quantummechanica als Heilige Graal.
Het onderzoek is gefinancierd door FOM, het DARPA QuASAR programma, de EU DIAMANT en S3NANO programma's, een Marie Curie Intra-European Fellowship en een Starting Grant van de European Research Council.
Contact
Prof.dr.ir. Ronald Hanson, +31 (0)15 278 71 88
Afbeeldingen en filmpje
Meer afbeeldingen vindt u op de website van Ronald Hanson.
Een animatie die laat zien hoe een spintoestand teleporteert tussen twee diamnen is te vinden op Vimeo.
Referentie
Unconditional quantum teleportation between distant solid-state quantum bits, W. Pfaff, B. Hensen, H. Bernien, S.B. van Dam, M.S. Blok, T.H. Taminiau, M.J. Tiggelman, R.N. Schouten, M. Markham, D.J. Twitchen, and R. Hanson, Science, online gepubliceerd op 29 mei 2014.