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

Diligentia 123
Quantumbits
Een normale computer maakt gebruik van ‘bits’, kleine geheugencellen die bitwaarde 1 of
0 kunnen hebben. Alle informatie, zoals tekst en foto’s, kan worden opgeslagen in lange
rijen van bits. Een computer kan geprogrammeerd worden zodat de ingevoerde informatie
kan worden omgerekend naar andere informatie. Bijvoorbeeld, we kunnen de getallen 4
en 9 invoeren en de computer vragen om de getallen te vermenigvuldigen. Wanneer we
nu verschillende vermenigvuldigingen met verschillende getallen willen uitvoeren, moeten
we dat één voor één doen. Een rij bits kan immers slechts één getal tegelijkertijd representeren.
Vervangen we nu het klassieke bit door een geheugencel die bestaat uit een quantumvoorwerp,
dan is het mogelijk dat dit quantumbit in een superpositie is van bitwaarde 1 en van
bitwaarde 0. Bijvoorbeeld, een foton kan gebruikt worden als quantumbit door aan een
verticaal foton bitwaarde 0 en aan een horizontaal foton bitwaarde 1 toe te kennen:
| Ψ foton 〉 = α | bit + 0 〉 = β |bit = 1〉.
Door gebruik te maken van quantumbits wordt het mogelijk om vele berekeningen tegelijkertijd
uit te voeren. De quantumgolf behorende bij de quantumcomputer bevat in principe
alle informatie over alle gevraagde antwoorden. Het uitlezen/meten van de antwoorden
geeft echter het probleem dat de quantumgolf instort en slechts een enkel antwoord
oplevert. Het is aangetoond dat ondanks het instorten van de quantumgolf het gebruik
van quantumbits een enorme winst in computerkracht kan opleveren. Veel natuurkundig
onderzoek vindt momenteel plaats naar de mogelijkheid om een quantumcomputer te
bouwen.
Het doel van quantumteleportatie
Het zal wellicht nog tientallen jaren duren voordat een quantumcomputer taken van een
klassieke computer zal overnemen. Een belangrijk element in het ontwikkelen van quantumcomputers
is het overdragen van quantuminformatie. Stel dat Alice (A) quantuminformatie,
opgeslagen in een quantumvoorwerp, naar Bob (B) wil versturen. In principe
beschrijft de quantumgolf van het voorwerp alle eigenschappen van het voorwerp. Voor
het versturen van de informatie kan Alice echter niet direct de golf meten. Immers door
de meting stort de golf in en zal slechts een klein beetje informatie gewonnen worden.
Wanneer het tevens onmogelijk is voor Alice om het quantumvoorwerp direct aan Bob
te geven (Bob kan zich op een andere planeet bevinden) dan lijkt het uitgesloten dat
Bob de quantuminformatie kan ontvangen. Quantumteleportatie maakt het desondanks
mogelijk om de quantuminformatie te versturen. Het moet duidelijk zijn dat gedurende
quantumteleportatie niet het voorwerp zelf wordt verplaatst maar de quantumtoestand van
het voorwerp.
In een interview vroeg een journalist aan Asher Peres (een bekend fysicus): “Kan enkel het
lichaam geteleporteerd worden of ook de geest?” Het antwoord van Asher was: “Alleen
de geest!”
Quantumverstrengeling
Aan de hand van een analogie met twee personen zal ik proberen uit te leggen wat quantumverstrengeling
tussen twee quantumvoorwerpen betekent. Normaal gesproken heeft
een persoon een eigen mening. Wanneer we een persoon een vraag stellen dan kunnen we
uit het antwoord iets over het karakter van die persoon leren. Wanneer twee personen in
een quantumverstrengelde toestand verkeren, dan blijkt dat ieder persoon een willekeurig
antwoord geeft op welke vraag dan ook. Het lijkt alsof ieder persoon geen eigen mening
heeft. Echter, wanneer we kijken naar de antwoorden van de twee personen op dezelfde
vraag, dan blijkt dat ze een tegengesteld antwoord geven. Ondanks de mogelijkheid dat de
Quantumsuperpositie en quantumteleportatie