Einsteins ongelijk

Terwijl heel Nederland straks achter de grootbeeld tv zit, werkt de groep van Ronald Hanson deze zomer gewoon door. Hun experiment gaat geschiedenis schrijven omdat het, als het lukt, Einsteins ongelijk aantoont.

In 1935 beschreef Albert Einstein samen met twee andere fysici, Boris Podolsky en Nathan Rosen, een gedachte-experiment[i] waarmee ze de absurditeit van de quantummechanica wilden aantonen. Met name van het begrip ‘verstrengeling’: het verschijnsel dat twee deeltjes door één golffunctie beschreven kan worden. Dat zou inhouden dat een meting aan deeltje A onmiddellijke consequenties zou hebben voor de toestand van deeltje B. Ook als deeltjes A en B op meters of kilometers afstand van elkaar verkeren, en dat zou inhouden dat ze sneller communiceren dan met de lichtsnelheid. Die absurditeit staat sindsdien bekend als de EPR paradox en het is de inzet van het experiment waaraan prof.dr.ir. Ronald Hanson (quantumtransport bij TNW) met zijn groep momenteel de laatste hand legt.

“Einstein zei: ‘de toestand van het ene deeltje bepaalt de toestand van het andere deeltje’. Maar volgens mij zag hij dat fout”, zegt Hanson. Einsteins misverstand is volgens Hanson het ‘lokaal realisme’. ‘Lokaliteit’ houdt in dat er geen ‘spukhafte Fernwirkung’ is, zoals Einstein dat verwoordde. En het even plausibele ‘realisme’ betekent volgens de geniale geleerde dat de maan er ook staat als we hem niet waarnemen. Met andere woorden: dat de werkelijkheid onafhankelijk is van onze waarneming. Vanuit dat perspectief leidt verstrengeling van twee deeltjes tot absurditeiten. “Maar als je de lokaliteit loslaat zie je twee deeltjes in verstrengelde toestand”, aldus Hanson. “Zodra je een meting uitvoert, legt dat de toestand voor beide deeltjes vast. Daar hoeft geen communicatie meer voor plaats te vinden, dat effect is onmiddellijk. Je moet dat idee van lokaliteit durven loslaten.”

Een jaar geleden publiceerde[ii] de groep van Hanson in Nature over twee verstrengelde elektronspins op drie meter afstand van elkaar. De proefopstelling bevatte twee diepgekoelde vaten met onderin een chip met diamant waarin een elektron met laserpulsen en microgolf gemanipuleerd werd. De elektronspins werden met een laserpuls aangeslagen waarna aan de hand van het uitgezonden licht uit beide vaten bepaald werd of verstrengeling tot stand was gekomen. Dat lukte slechts eens in de tien miljoen keer, maar wereldnieuws was het wel.

Nu herhaalt de ‘diamantgroep’ met promovendus ir Bas Hensen het experiment terwijl de afstand tussen de te verstrengelde elektronspins tot een kilometer vergroot is; de ene helft van de opstelling staat in de kelder van Technische Natuurkunde, de andere in het gebouw van het reactorinstituut. De glasvezels die de opstellingen met elkaar verbinden komen in het EWI-gebouw bij elkaar.

“Bij het drie meter experiment gingen we ervan uit dat quantummechanica klopt en wilden we verstrengeling op afstand aantonen”, vergelijkt Hanson. “Nu staat de quantummechanica zelf ter discussie en moeten we aantonen dat verstrengeling werkelijk bestaat.”

Precies vijftig jaar geleden, in 1964, publiceerde[iii] de Noord-Ierse fysicus John Stewart Bell hoe je quantummechanische verstrengeling zou kunnen aantonen in de gewone macroscopische wereld. Vijf jaar later maakten Clauser, Horne, Shimony en Holt[iv] het nog een stapje concreter met een scenario voor een spelshow, de CHSH test, waarin kandidaten op basis van toeval of een uitgekiende strategie een van de twee mogelijke antwoorden moesten geven op twee mogelijke vragen (zie stripverhaal op volgende bladzijden).

In het laboratorium zijn de kandidaten vervangen door twee elektronspins in diamantroosters. Om te beginnen worden die met elkaar verstrengeld. Een gelijktijdige registratie van twee enkele fotonen op een halfdoorlatende spiegel in de kelder van het EWI-gebouw toont de verstrengeling aan. Dan volgt een vraag in de vorm van laserpulsen die de elektronspins in aangeslagen toestand brengen, al dan niet in combinatie met een microgolfpuls die de elektronspin 90 graden draait. Als antwoord (rood of groen, 0 of 1) geldt al dan geen licht van de elektronspins. Uit de statistiek van de metingen moet duidelijk worden of beide elektronspins meer samenhang vertonen dan op basis van toeval verwacht kan worden.

Hanson verwacht gemiddeld eens in de tien minuten een verstrengeling en schat 1000 metingen nodig te hebben. Dat zou een meetduur van een ruime week betekenen. En dat is wat er deze zomer op het programma staat. De aio’s nemen geen vakantie op, maar werken door want de concurrentie zit hen op de hielen.

Sinds het voorstel van de Belltest zijn er al tien pogingen gedaan om verstrengeling aan te tonen, maar het bewijs was in geen van de gevallen waterdicht. Om de zogenaamde ‘loopholes’ te dichten moet je sneller een meting kunnen verwerken dan de tijd die een signaal nodig zou hebben om van het ene deeltje naar het andere te komen (bij de TU-opstelling is dat 3 microseconde). Bovendien vereist de test dat elke keer dat er verstrengeling optreedt ook een meting gedaan wordt. Als er metingen worden weggelaten, zou de statistiek daardoor beïnvloed kunnen worden.

Zowel de timing als de efficiëntie van de meting vergen het uiterste van de techniek en het team.

Het team is extra gemotiveerd omdat ze weten dat wereldwijd zeker vier andere groepen ook in de race zijn. Als belangrijkste concurrenten zien de Delftenaren de Ludwig Maximilian universiteit in München waar de groep van Harald Weinfurter met ingevangen atomen werkt. In Wenen werkt Anton Zeilinger al heel lang met verstrengelde fotonen op afstand. En ook de groepen van Paul Kwiat (universiteit van Illinois) en Andrew White (universiteit van Queensland, Australië) gebruiken die techniek.

Er is deze zomer kortom nóg een WK gaande, maar een waarvan je weinig op de televisie zult zien.