Hoe realistisch is teleportatie?

Sciencefiction of nabije toekomst? Trends vraagt het zich een zomer lang af. Deze week onderzoeken we hoe realistisch teleportatie is. Er bestaat al een vorm van teleportatie, maar mensen tegen lichtsnelheid verplaatsen blijft voor altijd een utopie. Wat in sciencefiction een ingeburgerd mobiliteitsgadget lijkt, zit nog vervlochten in de microwereld van de kwantumtheorie.

Fans van Harry Potter en Star Trek zullen er altijd van blijven dromen. Potter en zijn vrienden kunnen zich verplaatsen via de magie van het ‘verschijnselen’, terwijl in het universum van kapitein James T. Kirk en Mr. Spock een machine het DNA van een bemanningslid deconstrueert om het op een andere plaats weer samen te stellen alsof afstand niet bestaat.

Hoe onwaarschijnlijk teleportatie ook lijkt, er zijn de jongste kwarteeuw een aantal experimenten gedaan die erop lijken te wijzen dat het fenomeen dichterbij komt. In 1998 slaagde professor Anton Zeilinger er aan de universiteit van Wenen in een foton te verplaatsen van de ene oever van de Donau naar de andere. Twintig jaar later deed een onderzoeksgroep van het QuTech-lab aan de Technische Universiteit Delft (TU Delft) een experiment dat herbevestigde dat het mogelijk is kwantuminformatie te teleporteren. Ze kon twee elektronen verstrengelen die van elkaar verwijderd waren, zodat die elkaars eigenschappen deelden. Zijn de eerste stappen naar teleportatie daarmee gezet?

Dood en levend

Teleportatie zoals het in sciencefiction voorkomt, vertrekt van het idee dat het mogelijk is alle informatie van een object tot op het subatomaire niveau te verzamelen, die informatie sneller dan het licht te verplaatsen en het voorwerp elders te reconstrueren. “Maar in de kwantumtheorie is het een fundamentele wet dat je deeltjes niet sneller dan het licht kunt verplaatsen”, zegt Frank Verstraete, hoogleraar fysica aan de UGent.

Het woord is gevallen: de kwantumtheorie. Die heb je nodig om de wereld op subatomair niveau te beschrijven. Om teleportatie mogelijk te maken moet een object – of een mens – dus tot op dat niveau worden gedecodeerd. Alleen duiken in die discipline van de natuurkunde heel wat wetten op die zo tegen de intuïtie in lijken te gaan, dat de kwantumtheorie bijna een filosofische discipline wordt. Eigenlijk is de kwantumfysica een soort waarschijnlijkheidsinterpretatie van de werkelijkheid, waarin elk klein deeltje zich in een kwantumtoestand bevindt. Dat is een golfcurve die een combinatie is van variabelen zoals de positie, de richting en de snelheid waarmee het deeltje zich beweegt.

Voor teleportatie zou je alle informatie van de kwantumtoestand van een voorwerp moeten verzamelen alvorens die te versturen. Alleen is het volgens een ander natuurkundig principe onmogelijk de kwantumtoestand van een object volledig te bepalen. Fysici verwijzen daarvoor naar de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Al in 1927 beschreef die dat er in de kwantummechanica paren bestaan waarvan de grootheden niet gelijktijdig nauwkeurig kunnen worden vastgelegd. Anders gezegd: als je de positie van een deeltje nauwkeurig bepaalt, wordt de snelheid onzeker. Denk als vergelijking aan een dobbelsteen. Je hebt één kans op zes dat je drie gooit. Maar hoe groter de kans is dat je drie gooit, hoe kleiner de kans dat je iets anders gooit. In de kwantummechanica is het wel mogelijk dat twee deeltjes tegelijk meerdere eigenschappen hebben die elkaar lijken uit te sluiten. Zo kunnen qubits, de kwantumversies van de klassieke nullen en enen van de digitale informatie, tegelijkertijd nul en één zijn.

Als je die gedachte transponeert van het subatomaire niveau naar de zintuiglijke wereld, kom je uit bij Schrödingers kat. In dat gedachte-experiment uit 1935 zit een kat opgesloten in een doos met een radioactief atoom, een geigerteller en een flesje blauwzuur. Als het atoom vervalt, slaat de geigerteller uit en breekt het flesje blauwzuur. In dat geval sterft de kat. Vervalt het niet, dan blijft de kat leven. In de kwantumtheorie kan de kat dood en levend tegelijk zijn, zolang je de doos niet hebt geopend om te kijken of het atoom is vervallen. Voor Schrödinger volstond dat experiment om te besluiten dat de kwantummechanica enkel een theoretisch model was, maar geen beschrijving van de echte wereld, waarin een kat nooit dood en levend tegelijk kan zijn.

Albert Einstein

De kwantumtheorie bewijst wel haar nut om de kleine deeltjes in de natuurkunde te begrijpen. En we hebben tegenwoordig instrumenten om op een atomair niveau experimenten te doen en dingen te zien die Schrödinger nog onmogelijk achtte.

Zo hebben de experimenten in Delft aangetoond dat je via teleportatie wel informatie over de positie en de richting van een elektron kunt verplaatsen zonder het te wijzigen. “Dat deden we zonder het elektron zelf te verplaatsen”, zegt Lieven Vandersypen, de Vlaamse wetenschappelijke directeur van QuTech in Delft, het kwantumtechnologie-instituut van de TU Delft en de Nederlandse organisatie voor toegepast natuurwetenschappelijk onderzoek TNO. “Bij onze experimenten met de teleportatie van kwantuminformatie is op beide plaatsen een elektron aanwezig. We verplaatsen alleen de informatie over de toestand van het elektron.”

Dat gaat niet zomaar. Daarvoor is eerst een verstrengeling van beide elektronen nodig. Het komt erop neer dat bij twee verstrengelde elektronen aan de ene kant een wijziging in de informatie optreedt, maar ook onmiddellijk bij het elektron aan de andere kant. Dat is een meerlagige correlatie. Stel dat je een muntstuk opgooit en je schrijft het resultaat op twee briefjes. Het ene stuur je op naar iemand in New York en het andere naar iemand in Los Angeles. Niemand kan weten wat in die omslagen zit, maar als het resultaat bij de een munt is, zal dat ook zo zijn bij de ander.

Verstrengeling kwam voor het eerst in de schijnwerpers in een paper van Albert Einstein uit de jaren dertig. Hij zag daarin het bewijs dat de kwantummechanica incompleet was. Volgens hem moesten er spookachtige krachten aan het werk zijn die maken dat twee deeltjes op verschillende plaatsen onlosmakelijk met elkaar verbonden kunnen raken, zodat ze al hun eigenschappen delen.

Door twee elektronen met dezelfde laserstraal te belichten en te verstrengelen door het licht dat ze afgeven, toonden de onderzoekers in Delft aan dat die verstrengeling wel degelijk mogelijk is. In 2014 deden ze dat over een afstand van 3 meter, vier jaar later over een afstand van 1,3 kilometer. De test van QuTech is een stap in de richting van teleportatie van kwantuminformatie over grote afstanden. Via een optische kabel wordt het dan mogelijk informatie met de lichtsnelheid te verplaatsen.

Nuttige toepassingen

Maar als supersnel internet het enige voordeel is, heeft teleportatie dan wel zin? “Er zijn wel degelijk nuttige toepassingen van dat inzicht”, zegt Vandersypen. “We werken hier in Delft aan een kwantumversie van het internet. Dat draait niet alleen om snelheid, maar ook om veiligheid. Niemand kan meeluisteren of een wijziging aanbrengen zonder te worden opgemerkt. Want als iemand probeert het foton te onderscheppen, beïnvloedt dat de kwantumtoestand en wordt dat opgemerkt.”

Is een alternatief voor blockchaintechnologie dan eerder aan de orde dan een toekomstige toepassing in de ruimtevaart? Vandersypen: “Je zou een parallel kunnen zien met blockchaintechnologie, omdat ze allebei de veiligheid van encryptie verhogen. Maar het verschil is dat blockchain vertrekt van de aanname dat de krachtigste computers de sleutel niet kunnen kraken, terwijl een kwantumversie steunt op natuurwetten om de veiligheid te garanderen. Het kwantuminternet is voor hackers gewoon onkraakbaar.”