Jaarboek no. 87. 2008/2009 - Koninklijke Maatschappij voor ...

Introductie
QUANTUMSUPERPOSITIE EN QUANTUMTELEPORTATIE
door
Prof. dr. D. Bouwmeester
Huygens Laboratorium, Universiteit Leiden, en University of California, Santa Barbara
Ruim honderd jaar geleden, in 1900, begon een revolutie in de natuurwetenschap. Max
Planck postuleerde dat licht naast de toen bekende golfeigenschappen, die de werking van
lenzen, de regenboog en andere optische effecten verklaren, tevens een deeltjeskarakter
heeft. Dit deeltjeskarakter houdt in dat licht is opgebouwd uit lichtpakketjes, zogenaamde
fotonen. Niet lang daarna postuleerde De Broglie dat alle deeltjes, zoals elektronen en atomen,
golfeigenschappen hebben. De theorie van de golfdeeltjesdualiteit is de quantumtheorie.
De quantumtheorie verklaart de structuur van atomen, moleculen en in principe
alles wat daaruit is opgebouwd.
Hoewel de quantumtheorie keer op keer is bevestigd door steeds nauwkeuriger metingen,
blijft er een levendig debat over de interpretatie van deze theorie. Hoe is het toch mogelijk
dat een quantumdeeltje zich voortbeweegt als een golf, die zich uitspreidt in alle mogelijke
richtingen, maar echter wel degelijk een deeltje blijkt te zijn wanneer het gedetecteerd
wordt? Niels Bohr interpreteerde de golf als een wiskundige constructie die de waarschijnlijkheid
berekent om het deeltje op een bepaalde plaats waar te nemen. Zolang de positie
van het deeltje niet wordt gemeten kan het zich in een superpositie van verschillende
plaatsen bevinden. Voor vele natuurwetenschappers is deze ‘vlucht in waarschijnlijkheden’
onlogisch en moeilijk te aanvaarden.
In 1905 publiceerde Albert Einstein de speciale relativiteitstheorie. Deze theorie veronderstelt
dat de snelheid van licht, ongeveer 300.000 kilometer per seconde, de hoogst mogelijke
snelheid is en dat die snelheid onafhankelijk is van de beweging van de bron die het
licht uitstraalt. Wanneer nu lichtsignalen gebruikt worden om tijd- en ruimte-intervallen te
bepalen, dan is het mogelijk om aan te tonen dat ruimte en tijd geen absolute geldigheid
hebben. De relativiteitstheorie is een hoogtepunt van logische redenatie en het is niet al
te verwonderlijk dat juist Albert Einstein grote bezorgdheid heeft geuit over de geldigheid
van de quantumtheorie (zie figuur 1).
Discussies over de interpretatie en geldigheid van de quantumtheorie stonden in het middelpunt
van de belangstelling in de jaren dertig, veertig en vijftig, echter concrete vooruitgang
werd niet geboekt.
Als een donderslag bij heldere hemel verscheen in 1965 een kort maar krachtig artikel van
John Bell dat een experiment voorstelde dat uitsluitsel zou moeten geven of de quantumtheorie
daadwerkelijk zou moeten worden vervangen door een diepere, meeromvattende
theorie, zoals Einstein zich voor ogen had. Het voorgestelde experiment ging over twee
quantumdeeltjes, bijvoorbeeld twee fotonen, die in een heel bijzondere quantumtoestand
zijn geprepareerd. Deze quantumverstrengelde toestand houdt in dat, hoewel de deeltjes ver
van elkaar verwijderd kunnen zijn, ze onomstotelijk met elkaar verbonden blijven. Een meting
aan een van de deeltjes verandert de toestand van het andere deeltje op een manier
Natuurkundige Voordrachten Nieuwe reeks 87. Lezing gehouden voor de Koninklijke
Maatschappij voor Natuurkunde ‘Diligentia’ te ’s-Gravenhage op 9 maart 2009.
Quantumsuperpositie en quantumteleportatie