Wat altijd science fiction was, te zien in films als Star Trek, namelijk onafhankelijk van tijd en ruimte reizen, is sinds een jaar of 15 werkelijkheid. Beam me up, Scotty! Inderdaad, teleportatie is mogelijk. Nu nog alleen op de schaal van elementaire deeltjes zoals elektronen, maar binnen onafzienbare tijd met eenvoudige vaste stoffen en wie weet ergens in de toekomst met levend materiaal.
De quantummechanica ontwikkelt zich in razend tempo. Met dank natuurlijk aan Niels Bohr, aan wie we de Kopenhaagse interpretatie van de quantummechanica te danken hebben, ontwikkeld in de jaren dertig van de vorige eeuw. Door zijn inzichten en vasthoudendheid zijn de diverse misinterpretaties, van onder andere Albert Einstein, definitief ontmaskerd, eerst theoretisch en later in de jaren zeventig experimenteel. Zeker door het theorema van Bell (dat de non-lokaliteit beschrijft) heeft de quantummechanica een stormachtige ontwikkeling doorgemaakt.
Hoe vindt teleportatie plaats? Het sleutelwoord hiervoor is entanglement. Vertaald in het Nederlands betekent dit verstrengeling, zeg maar een soort van gekoppeld systeem. Twee deeltjes (zoals elektronen) op afstand van elkaar, hebben een verbinding onafhankelijk van tijd en ruimte, bijvoorbeeld de richting waarin ze om hun eigen as draaien, in de natuurkunde “spin” genoemd. Draait het ene elektron linksom, dan zal het andere elektron rechtsom draaien. Ze is in 1925 ontdekt door Wolfgang Pauli en heet het Uitsluitingsprincipe van Pauli. In 1945 kreeg hij hiervoor de Nobelprijs voor natuurkunde. (Het blijkt dat bepaalde stofeigenschappen door dit uitsluitingsprincipe verklaard kunnen worden, bijvoorbeeld waarom ijzer, nikkel en kobalt wel magnetisch kunnen worden en andere metalen niet, maar dat voert hier te ver om uit te leggen).
Wanneer je dieper in de aard van de materie duikt, zul je steeds meer ontdekken dat materie zoals we die ons altijd hebben voorgesteld niet bestaat. Een atoom, een woord uit het Grieks dat ondeelbaar betekent, bestaat uit een kern van protonen en neutronen waar elektronen in verschillende lagen (schillen) omheen cirkelen. De protonen en neutronen bestaan op hun beurt uit quarks. Maar, elektronen kun je niet langer deeltjes noemen wanneer je ze omschrijft, zoals de quantummechanica dat doet, als een wolk met een bepaalde waarschijnlijkheidsverdeling. Hetzelfde geldt voor quarks. In feite zijn ze een opeenhoping van informatie in de vorm van trillingen. Niet veel meer. Dat is de reden dat men het in de natuurkunde tegenwoordig meer in de snaartheorie zoekt, ervan uitgaande dat de basis van de natuur gevormd wordt door de energie van trillingen en niet door ondeelbare materie.
Ingrijpen in de toestand van een deeltje, bijvoorbeeld door van buitenaf de spin linksom te laten draaien, heeft gevolgen voor de toestand van een ander gekoppeld deeltje, ongeacht de afstand, namelijk de spin zal daar rechtsom gaan. Zo kun je informatie op een bepaalde plek toevoeren dat tegelijkertijd op een andere plek een soortgelijke informatie oplevert. Deze informatie kun je uitbreiden naar atomen of eenvoudige moleculen die onderling gekoppeld zijn. Je grijpt in in de mate van trilling van het ene atoom, hetgeen gevolgen heeft voor het andere atoom. Zo kun je op de ene plek een atoom “uitdoven” om het tegelijkertijd op een andere plek te laten ontstaan. Je verplaatst zodoende in één en hetzelfde moment materie: de teleportatie is geschied.
Bij entanglement vindt communicatie plaats zonder de beperking van de lichtsnelheid zoals die volgens Einstein zou moeten gelden. Op zich heb je daarmee nog geen informatieoverdracht. Wel wanneer je het ene elektron verstrengelt met een quantumbit. Het andere elektron is dan automatisch verstrengeld met hetzelfde quantumbit en op deze manier kun je dus informatie oversturen. Het verst gelegen elektron kun je opnieuw verstrengelen met een nog verder weg gelegen elektron, waardoor de informatie nog verder opschuift. Zo kun je een hele keten van onderling verstrengelde elektronen maken die informatie zonder vertraging, zonder informatieverlies en bovenal veilig kan overbrengen. Met name dat laatste aspect is belangrijk. Op deze manier verzonden dataverkeer kan namelijk niet onderschept worden. Niemand kan meekijken, want dat zou de informatiestroom onderbreken en teniet doen. Zodra je fotonen meet, ben je ze kwijt. Eindelijk een volledig veilig informatienetwerk. Ongelooflijk belangrijk voor de toekomst, waarin cybercriminelen steeds meer hun slag zullen proberen te slaan.
De wetten in de quantummechanica zijn gerust bizar te noemen. Er gebeuren dingen die tegen elk gevoel voor logica en intuïtie indruisen. Deeltjes bevinden zich bijvoorbeeld in meerdere toestanden tegelijk. Ze zijn tegelijk hier èn daar, ze tollen linksom èn rechtsom op hetzelfde moment. Ze zijn de som van mogelijkheden. Ofwel, quantummechanisch gesproken, ze zijn in superpositie met zichzelf. Superpositie, ook zo´n sleutelwoord dat in de quantummechanica steeds terugkeert. Deeltjes gedragen zich als golven en golven bestaan per definitie niet uit één deeltje op één plek. De golfvergelijkingen van Schrödinger geven exact aan in welke mate een deeltjesgolf zich in de ene toestand bevindt, en in de andere. Het gedrag van deeltjes is hiermee teruggebracht tot het zich bevinden in een waarschijnlijkheidsverdeling. Heel apart natuurlijk. Het tunneleffect, het zich bevinden op een plek die macroscopisch niet mogelijk is, is hier een gevolg van.
Twee problemen doemen steeds weer op bij experimenten met kleinste deeltjes, namelijk de meetval en de lokaliteitsval. De meetval ontstaat doordat metingen nooit 100 % efficiënt zijn. Apparatuur is nooit volledig betrouwbaar. Er treedt altijd een bepaalde ruis op bij het meten. Binnen die ruis kun je geen definitieve uitspraken doen. Maar ja, hoe groot is je ruis. De lokaliteitsval ontstaat wanneer er op lokaal niveau toch interactie blijkt te zijn. Een interactie die niemand in de gaten heeft. Dat kan gebeuren wanneer deeltjes zich op te korte afstand van elkaar bevinden en ze toch stiekem informatie uitwisselen. Maar ja, hoe weet je dat.
Het onderzoek binnen de quantummechanica bloeit als nooit tevoren, zeker op de Nederlandse universiteiten. De daaruit voortkomende technologie zal de technologie van de toekomst blijken te zijn. Quantum-internet zal een nieuwe revolutie veroorzaken. De techniek die we nu hebben zal daarmee in vergelijking kinderspul zijn. Ja, de wereld zal technologisch gezien drastisch veranderen.
Op de middelbare school (in het VWO althans) is quantummechanica bij het vak natuurkunde inmiddels verplichte eindexamenstof. Een goede zaak. Hoewel je er op de universiteit pas echt induikt. Aan te bevelen voor iedereen die hier meer van wil weten.