NRC Handelsblad 20-07-2002

Samen op weg

VERSTRENGELDE FOTONEN OVERLEVEN OMZETTING IN ELEKTRONENGOLF

Fotonen kunnen met elkaar verstrengeld raken. Die toestand blijkt erg stabiel, zo laten Leidse natuurkundigen zien.

Op een zware, trillingsvrije tafel staan lasers, spiegeltjes, lenzen, detectoren en kleine gouden plaatjes. Dr. Martin van Exter, natuurkundige aan de Universiteit Leiden, noemt de experimentele opstelling ``behoorlijk eenvoudig''. Met deze opstelling heeft Van Exter, samen met zijn collega's Erwin Altewischer en prof.dr. Han Woerdman, aangetoond hoe sterk twee lichtdeeltjes (fotonen) met elkaar verstrengeld kunnen zijn. Zelfs als ze tijdelijk worden omgezet in een elektronengolf blijven ze, nadat ze weer zijn teruggekeerd in hun fotontoestand, nog steeds verstrengeld (Nature, 18 juli).

Het verschijnsel dat de Leidse natuurkundigen bestudeerden staat bekend als quantumverstrengeling, een van de vreemdste verschijnselen uit de quantumwereld. Het houdt in dat deeltjes hun individuele karakter verliezen. De toestand van het ene deeltje bepaalt het gedrag van een ander deeltje, ook al bevindt het zich op grote afstand (zie kader).

Quantumverstrengeling is inmiddels uitgegroeid tot de - veelal nog theoretische - basis van quantuminformatica, een vakgebied dat fundamenteel snellere quantumcomputers belooft, van niet-afluisterbare communicatie via quantumcryptografie, en van teleportatie, het transporteren van de eigenschappen van atomen of andere deeltjes. Om deze naar sciencefiction riekende toepassingen gerealiseerd te krijgen is n ding essentieel: de verstrengeling van twee fotonen moet gehandhaafd blijven. ``Maar die toestand leek nogal fragiel'', zegt Van Exter. Met hun onderzoek hebben ze aangetoond dat de verstrengeling sterker is dan natuurkundigen dachten.

Van Exter, Altewischer en Woerdman voerden hun onderzoek uit in een verduisterde kamer in het Leidse Huygenslaboratorium. Ze lieten volgens een standaardrecept blauw laserlicht vallen op een kristal van bta-bariumboraat, dat af en toe n foton omzet in twee verstrengelde infrarode fotonen. De zo ontstane bundels met verstrengelde fotonen lieten ze op twee gouden plaatjes van een vierkante millimeter vallen, waarin een rooster was aangebracht van gaatjes met een diameter van 0,2 micrometer (een micrometer is een miljoenste meter). Vier jaar geleden werd aangetoond dat licht door zulke plaatjes heen kan schijnen, ook al zijn de gaatjes kleiner dan de golflengte van het licht. Wat er gebeurt is het volgende: in een metaal als goud bewegen de elektronen zich betrekkelijk los van hun atomen, en vormen samen een homogene `zee'. Rimpelingen aan het oppervlak van die zee, waarin miljarden elektronen kunnen meerimpelen, laten zich beschrijven als deeltjes, de oppervlakteplasmonen. De fotonen worden bij inval op het plaatje omgezet in zulke oppervlakteplasmonen, die zich door de gaatjes wurmen. Aan de andere kant van het plaatje zetten de plasmonen hun reis weer voort als fotonen.

klotsende elektronen

Deze tijdelijke vermomming, zo maten de onderzoekers, bleek nauwelijks invloed te hebben op de gemeten verstrengeling aan het eindpunt van de bundels, waar polarisatiemeters en detectoren bijhielden hoeveel verstrengelde fotonen er arriveerden. Blijkbaar kunnen oppervlakteplasmonen ook verstrengeling dragen, ook al bestaan ze uit miljarden klotsende elektronen. Een onverwachte robuustheid van de zo fragiel gewaande toestand. ``We hadden van tevoren dan ook geen idee of het zou werken'', zegt Van Exter.

De koppeling tussen licht en het vastestofverschijnsel opent nieuwe mogelijkheden voor de quantuminformatica. De informatie in quantumverstrengelde deeltjes laat zich het makkelijkst vervoeren in de vorm van licht, maar de manipulatie ervan verloopt vermoedelijk soepeler in structuren in vaste stoffen, zoals quantum dots.

Misschien, oppert Van Exter, is de overstap te maken via oppervlakteplasmonen. ``We hebben een brug voor verstrengeling gevonden tussen licht en materie'', zegt hij, ``al moeten we nog zien hoe bruikbaar die is.''

siamese tweeling op afstand
In het Leidse experiment worden de verstrengelde fotonenparen zo gemaakt dat de trillingsrichtingen van het licht, ofwel de polarisaties, bij elkaar opgeteld neutraal zijn. De polarisatie van n van de deeltjes kan ofwel een horizontale, ofwel een verticale polarisatie opleveren. De meting bepaalt op dat moment dat het andere foton de tegenovergestelde polarisatie heeft.
Op zichzelf lijkt dat niet zo verwonderlijk. Het openen van de hand met de witte pion - om aan het begin van een schaakpartij te bepalen wie met wit speelt - betekent ook niet dat de andere hand dan pas `op dt moment' de zwarte bevat. Maar bij quantumverstrengeling is er meer aan de hand. De informatie over de losse deeltjes is voor de meting nog onbepaald. De pionnen in de schakershanden daarentegen weten zelf al lang of ze wit of zwart zijn.
Het verschil blijkt als besloten wordt tot een andere polarisatiemeting, in de diagonale richting. De resultaten zijn identiek met die van de eerste meting: het foton heeft ofwel de gevraagde polarisatie, of juist niet, en door de meting ligt daarna ineens met zekerheid vast dat het andere foton de tegenovergestelde polarisatie heeft. Dit laatste valt niet te rijmen met fotonen die los van elkaar al `weten' wat hun polarisatie is. Quantumverstrengeling dwingt de fotonen dus tot het onderhouden van een geheimzinnig instantaan contact.
Doordat een meting aan een foton het foton vernietigt, is quantumverstrengeling alleen statistisch aan te tonen, door correlaties te meten tussen polarisaties van grote aantallen deeltjes. In het Leidse experiment gebeurt dat door gegevens van de polarisatiedetectoren aan het eind van beide lichtbundels te combineren.

Foto-onderschrift: Het goudplaatje in de Leidse opstelling waarin verstrengelde fotonen tijdelijk overgaan in oppervlakteplasmonen en tegen de verwachting in weer als verstrengelde fotonen tevoorschijn komen.
FOTO JRGEN KRIELEN

(c) Bruno van Wayenburg