Teleportatie en diamanten
Hoe worden diamanten gebruikt om deeltjes en elektronen te dresseren? Nano-onderzoeker Ronald Hanson legt ‘t uit.
Sommige aannames over hoe de natuur werkt zijn zo vanzelfsprekend dat je er nooit vraagtekens bij zal zetten. Zoals dat onze de fiets in de schuur staat ongeacht of we ernaar kijken of niet. Of dat iets wat in Den Haag gebeurt niet direct beïnvloed wordt door iets wat op hetzelfde moment op de planeet Jupiter aan de gang is. Toch blijken deze aannames (die samen bekend staan als locaal realisme) fout te zijn. Deze vreemde constatering biedt naast hersengekraak ook nieuwe mogelijkheden: zo onderzoeken wij of we er elektronen in diamant mee kunnen teleporteren.
De theorie van de quantummechanica werd in de 20e eeuw ontwikkeld om het gedrag van deeltjes op microscopische schaal te beschrijven. Hoewel het succes van de theorie onomstreden was, leidde de interpretatie van de quantummechanica tot grote botsingen tussen de grote geesten van die tijd. Einstein deed de ene poging na de andere om aan te tonen dat de theorie niet compleet was, en daarbij stuitte hij op interessante paradoxen. In een artikel uit 1935 (samen met Podolsky en Rosen) probeerde hij aan te tonen dat quantummechanica niet het hele verhaal kon zijn, omdat het onder bepaalde omstandigheden leidde tot een verstrengeling van deeltjes: de toestand van deeltje A kon niet meer beschreven worden zonder de toestand van deeltje B erbij te betrekken, ongeacht de afstand tussen de deeltjes. Dat moest wel onzin zijn, aangezien niets sneller kan reizen dan het licht, dat had Einstein tenslotte zelf met zijn relativiteitstheorie bewezen.
Tijdens Einsteins leven waren dit soort bespiegelingen puur filosofisch, want er leek geen manier te zijn om de ideeën van Einstein ooit te testen. Maar in 1964, enkele jaren na zijn overlijden, kwam John Bell met een voorstel voor experimenten die duidelijk zouden maken wie er nou eigenlijk gelijk had. In de jaren 80 en 90 zijn verschillende van deze experimenten gedaan, met toenemende nauwkeurigheid en volledigheid, maar met telkens weer dezelfde uitkomst: quantummechanica geeft de juiste beschrijving, Einstein had geen gelijk: het kan inderdaad zo zijn dat toestanden van deeltjes elkaar beïnvloeden, ook al zijn ze ver van elkaar verwijderd!
Wat daarna volgt laat zien hoe flexibel de wetenschappelijke geesten zijn. De quantumverstrengeling wordt algemeen geaccepteerd als natuurverschijnsel en al snel komen er ideeën voor toepassingen. Een mooi voorbeeld hiervan is quantumteleportatie: het blijkt mogelijk om de toestand van een deeltje over grote afstand te “teleporteren” naar een ander deeltje, door slim gebruik te maken van verstrengeling en de eigenschappen van metingen in de quantummechanica. Teleportatie is vooral bekend geworden door Star Trek (“Beam me up, Scotty!”), waarin personen geteleporteerd worden. Quantumteleportatie verplaatst niet de materie, maar de toestand daarvan. Maar aangezien alle elementaire deeltjes exact hetzelfde zijn, heeft quantumteleportatie van een elektron naar een ander elektron hetzelfde effect als het verwisselen van de twee elektronen. Zo zou het dus ook, althans in principe, mogelijk zijn om mensen te teleporteren: je moet dan een kopie van de mens die je wilt teleporteren ergens anders klaar hebben staan, en dan de toestand van alle deeltjes van deze persoon teleporteren. Dit is niet realistisch. Maar quantumteleportatie van elektronen is praktisch wel mogelijk, en dat heeft interessante toepassingen.
De afgelopen tien jaar is een ware revolutie ingezet in de natuurkunde. Uit verschillende onderzoeksvelden, zoals optica, magnetische resonantie (zoals gebruikt in MRI), nanotechnologie en informatietheorie is een compleet nieuw onderzoeksgebied ontstaan, waarin geprobeerd wordt om het gedrag van elektronen en atoomkernen onder controle te krijgen. Als dit lukt zijn er interessante toepassingen mogelijk, zoals zeer snel quantumrekenen, communicatie die niet afgeluisterd kan worden en ultragevoelige sensoren die de moleculaire structuur van bijvoorbeeld eiwitten kunnen ontrafelen.
Aan het Kavli Instituut voor Nanowetenschappen van de TU Delft proberen we elektronen en atoomkernen tedresseren. Daarvoor gebruiken we diamant, omdat daarin mini-gevangenisjes voor elektronen worden gevormd als er een stikstofatoom op de plaats van éen van de koolstofatomen zit. Omdat we deze gevangenissen individueel kunnen bekijken, is het mogelijk om éen elektron en éen atoomkern te bestuderen en te controleren. We kunnen sinds kort deze deeltjes in een vooraf bepaalde toestand zetten, hun quantummechanische toestand controleren en uitlezen. Ook zijn we erin geslaagd om de toestand van het elektron te verstrengelen met dat van het stikstofatoom, en hiermee hebben we een elementair algoritme voor quantumrekenen uitgevoerd.
Ons doel is nu om twee elektronen in verschillende diamanten, op enkele meters afstand van elkaar in een verstrengelde toestand te brengen door gebruik te maken van hun interactie met lichtdeeltjes. Als dit gelukt is, dan is de volgende stap de teleportatie van de toestand van het ene elektron, door het lab heen, naar het andere elektron. Als dat lukt ga ik er zelf tussen staan en twee keer met mijn ogen knipperen, want zelfs voor een quantumwetenschapper blijft teleportatie een bizar fenomeen.
Ronald Hanson heeft een onderzoeksgroep bij het Kavli Institute of Nanoscience van de TU in Delft. Hij werkt aan nanodeeltjes en is een belangrijke grondlegger van onderzoek naar quantuminformatietechnologie.
