In de quantummechanica, het gebied van de natuurkunde dat de processen op atomair niveau beschrijft, ontstonden in de jaren dertig van de vorige eeuw twee stromingen die lijnrecht tegenover elkaar stonden
De eerste was die van onder anderen Niels Bohr, de grondlegger van de Kopenhaagse interpretatie, die stelde dat deeltjes als elektronen instantaan informatie met elkaar kunnen uitwisselen. Instantaan wil zeggen, onafhankelijk van tijd en ruimte. Dit bleek namelijk uit resultaten van talrijke experimenten. Zo blijken de spins van twee gekoppelde elektronen altijd tegengesteld aan draairichting te zijn. Is de één naar boven gericht, dan is de andere naar beneden gericht. De waarneming van de spin van het ene elektron, legde het resultaat van de spin van het andere elektron vast, ook al bevond het tweede elektron zich op grote afstand van het eerste. Op hetzelfde moment, dus onafhankelijk van tijd en ruimte. Deze samenhang wordt in de natuurkunde entanglement genoemd, in het Nederlands verstrengeling geheten.

Onder meer Albert Einstein ging hier dwars tegenin. Hij beweerde, in navolging van zijn speciale relativiteitsleer, dat informatie nooit sneller dan het licht kon worden overgebracht. Om de resultaten uit de diverse experimenten te verklaren kwam hij met het idee van ‘verborgen lokale variabelen’ die het proces zouden bepalen. Variabelen dus die we tot nu nog niet kennen, maar die wel een oorzaak-gevolg reactie zouden bewerkstelligen. Hij bedacht samen met de natuurkundige Podolsky en Rosen het beroemde EPR-gedachtenexperiment, dat moest aantonen dat bepaalde gegevens al vastlagen voordat de meting gedaan werd. Stel bijvoorbeeld dat je één paar schoenen hebt. De twee schoenen plaats je op honderden kilometers van elkaar. Van één schoen stel je vast welke het is, bijvoorbeeld de linker. Dat weet je automatisch dat de ander, op honderden kilometers afstand, de rechter is. Niets van verstrengeling, gewoon je nuchtere verstand gebruiken. De feiten lagen al vast voordat de meting gedaan werd. Aldus Einstein.

Het werd een verhitte discussie tussen de twee verschillende kampen, waarbij Niels Bohr  herhaaldelijk Albert Einstein erop wees hoe deze laatste zo conservatief kon zijn terwijl hij met zijn beroemde relativiteitsleer zo baanbrekend durfde te zijn. Kijk naar de uitkomst van de experimenten, zei Niels Bohr, die geven alleen waarschijnlijkheden aan, niets staat bij voorbaat vast. Pas bij waarneming (door ons) worden de gegevens eenduidig. Daarvoor was alles mogelijk. Die linker schoen was pas de linker toen we die waarnamen. Voor die tijd kon ie evengoed de rechter zijn. Nee, zei Einstein, dat de wereld uit waarschijnlijkheden bestaat kan ik niet geloven. God dobbelt niet.

In 1964 kwam de theoretisch natuurkundige John Bell met zijn beroemde ongelijkheid van Bell, ook wel Het theorema van Bell genoemd. Hij kon statistisch aantonen dat het uitgangspunt van ‘lokale verborgen variabelen’ een andere (en dus verkeerde) uitkomst geeft dan de resultaten van de quantumechanica aangeven. Met zijn tamelijk ingewikkelde theoretische stelling toonde Bell onder meer aan dat zuiver toeval en non-lokaliteit bestaan. Non-lokaliteit kun je omschrijven als niet plaatsgebonden en zonder oorzaak. Zoals dat een niet waargenomen deeltje zich overal in het universum kan bevinden. Er is alleen sprake van een waarschijnlijkheid. Pas bij waarneming worden plaats en andere eigenschappen vastgelegd. En tegelijk alle andere mogelijke andere eigenschappen vernietigd.

Waarmee het debat tussen Bohr en Einstein in het voordeel van de eerste was beslecht. Dit was een gigantische doorbraak binnen de natuurkunde met verstrekkende gevolgen. Echter, de stelling moest nog wel door middel van experimenten worden bewezen. Dat heeft een tijdje geduurd. Pas in 1982 wist Alain Aspect het experimentele bewijs voor de non-lokaliteit te leveren. Eerder al deden John Clauser en Stuart Freedman experimenten die in dezelfde richting wezen, namelijk dat Einstein ongelijk had.

Het is de Chinezen in 2017 gelukt om zo'n quantumverstrengeling te laten plaatsvinden over een afstand van 1203 kilometer. Dit is een grote verbetering van het vorige record van 143 kilometer van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA tussen de eilanden Tenerife en La Palma. De Chinezen hebben daarvoor een satelliet gebruikt genaamd Micius. Aan boord hebben ze paren van infrarode lichtdeeltjes in bundels naar de aarde gestuurd. Er zijn dan twee metingen, aan boord van de satelliet en op aarde. Deze leveren precies tegenovergestelde waarden op, juist vanwege de verstrengeling. Beide partijen kunnen dan via de van tevoren afgesproken sleutel de juiste informatie ophalen.

De Oostenrijker Anton Zelinger ging nog verder, hij toonde aan dat middels zo’n verstrengeling quantumteleportatie mogelijk was. Hij breidde het experiment van Bell uit, door niet van één deeltjespaar uit te gaan, maar van twee tegelijk. Die quantumteleportatie zal voor een nieuwe technologisch revolutie zorgen, wordt algemeen aangenomen. De quantumcomputer komt er vroeg of laat aan. Het internet zal dan voortaan vrij van hackers zijn. Immers, wanneer een bericht onderschept wordt, of er wordt ingebroken binnen een systeem, dan verdwijnt de verstrengeling, is het bericht verloren en is er een duidelijk signaal dat er geprobeerd werd te hacken. Een veilig quantuminternet, dat is wat er aan zit te komen, en dat allemaal begonnen met dit beroemde Theorema van Bell.
In Nederland is men er hard mee aan het experimenteren, met name op de TU Eindhoven en de TU Delft. Voor wie daar meer over wil lezen, zie hier of hier, of het boekje van George van Hal: De quantumcomputer.

Vorige week is de Nobelprijs voor Natuurkunde geheel terecht aan drie van deze quantumpioniers uitgereikt, te weten aan Alain Aspect, John Clauser en Anton Zeilinger. John Bell was al in 1990 overleden, anders had ook hij zeker die Nobelprijs gewonnen. Evenals Stuart Freedman die in 2012 overleed. Eindelijk, kun je zeggen. En, dubbel en dwars verdiend.