Teleportatie bestaat: in Delft is een mijlpaal bereikt in het quantuminternet

Niets van betekenis kan sneller gaan dan het licht. Dus materie of informatie laten verdwijnen en tegelijk aan de andere kant van de wereld laten opduiken is onmogelijk, volgens de klassieke wetten van de natuurkunde. In sciencefiction is het wel heel gebruikelijk; daar worden complete acteurs overgezet van het ene ruimteschip naar het andere. Teleportatie, heet dat.

In Delft is nu aangetoond dat dit fenomeen niet slechts sciencefiction is. Het kan ook echt, zij het niet in de gewone wereld van de klassieke natuurkunde, maar in de wereld van elementaire deeltjes: de kleinste bouwstenen van materie en krachten.

De wereldprimeur verscheen deze week in vakblad Nature en was al jaren in de maak. De onderzoekers van QuTech, een samenwerking van de TU Delft en TNO, lieten vier jaar geleden zien dat teleportatie van zogenoemde quantuminformatie in principe mogelijk is. Ook andere labs in de wereld hadden dat al bereikt. Maar het experimentele bewijs werd toen geleverd met knooppunten die via glasvezel met elkaar verbonden waren. Nu is het QuTech gelukt om het kunstje te flikken met knooppunten die niet direct met elkaar verbonden zijn.

Wonderlijke gebeurtenissen zijn toegestaan

In de wereld van elementaire deeltjes heerst de quantumnatuurkunde, die wonderlijke gebeurtenissen toestaat. Zo’n wonder doet zich voor als twee elementaire deeltjes eenmaal in dezelfde quantumtoestand zijn gebracht: die twee blijven eeuwig verbonden, ook al belanden ze in verschillende uithoeken van het universum. Verandert de toestand van de een, dan ook gelijktijdig de toestand van de ander.

Stel je zo’n quantumtoestand voor als een kleur. Een kleur die het deeltje pas bekent als je het vastpakt, door het te meten. Neemt het deeltje bij meting een blauwe kleur aan, dan wordt op hetzelfde moment het verstrengelde deeltje blauw, hoewel het geen contact heeft met het eerste deeltje en niet door de meting wordt geraakt.

Verstrengeling heet dat fenomeen, en het kan worden gebruikt om quantuminformatie over te brengen. Bij QuTech hebben ze dat nu laten zien in een netwerk met drie knooppunten, drie quantumprocessoren, die door de onderzoekers Alice, Bob en Charlie zijn gedoopt. Alice en Bob zijn door glasvezel met elkaar verbonden, Bob en Charlie ook, maar Alice en Charlie hebben geen enkele fysieke verbinding; zij zijn begin en eindpunt van dit netwerk, zender en ontvanger.

Bob is er om teleportatie van informatie tussen die twee mogelijk te maken. Hij verstrengelt zijn toestand met die van Alice en doet hetzelfde met Charlie. En met een quantumtruc brengt Bob die twee verstrengelingen met elkaar in overeenstemming. Nu zijn de eindpunten van het netwerk óók verstrengeld.

Hoe Charlies ‘qubit’ bij Alice belandt

Nu moet er nog een boodschap worden gecreëerd, een ‘qubit’ in jargon, wat neerkomt op een quantumtoestand van een elementair deeltje. Die kun je niet zomaar overbrengen, want dat is het merkwaardige van quantumtoestanden: ze liggen in het duister tot je ze meet, en als je ze meet is hun informatie verloren. Dat is ook wat er in dit geval bij Charlie gebeurt, maar door de verstrengeling in het netwerk komt die informatie op datzelfde moment tevoorschijn bij Alice. Teleportatie!

Dit klinkt al krankzinnig, maar wat er technisch nodig is om dit voor elkaar te krijgen is zo mogelijk nog krankzinniger. Ze hadden bij QuTech de hoop om dit drie jaar geleden voor elkaar te krijgen. Het heeft langer geduurd, maar nu kan de stap worden gezet naar een netwerk met vier of meer knooppunten.

Direct en veilig communiceren

De kwetsbaarheid van qubits maakt het zo ingewikkeld: zodra je er iets mee doet, is hun informatie weg. Even een kopie maken is er niet bij. Tegelijk is dat hun grote voordeel. In een quantuminternet is communicatie gegarandeerd veilig, want zodra iemand een boodschap probeert te onderscheppen is die weg; alleen zender en ontvanger kunnen erbij.

Quantuminternet zal in de toekomst één geheel vormen met quantumcomputers, die ook in de maak zijn en die gebruik maken van weer andere wonderlijke fenomenen in de quantumwereld. Met name het fenomeen dat deeltjes vele quantumtoestanden tegelijk kunnen aannemen. Ze hoeven niet 0 of 1 te zijn, zoals de bits in de huidige computers, maar kunnen beide tegelijk zijn. Een quantumcomputer kan daardoor vele malen sneller rekenen, en dingen doen die geen computer nu kan.

Lees ook:

Het verstrengelde netwerk als basis voor een heel nieuw internet

De quantumtheorie is raadselachtig, mysterieus. Maar zij gaat in de toekomst een nieuw en niet te kraken internet opleveren. En dat zou heel goed in de Randstad kunnen gebeuren.