Kwantumteleportatie is een fascinerend concept dat vaak wordt verward met de sciencefiction-teleportatie uit films en boeken. Het is echter belangrijk te begrijpen dat het bij kwantumteleportatie niet gaat om het fysiek verplaatsen van materie of energie, maar om het overdragen van kwantuminformatie van de ene locatie naar de andere. Deze informatie is de “toestand” van een deeltje, zoals zijn spin of polarisatie.
Hier is hoe het in grote lijnen werkt, gebruikmakend van het principe van kwantumverstrengeling:
- Kwantumverstrengeling (Entanglement): Dit is de kern van kwantumteleportatie. Twee of meer kwantumdeeltjes kunnen met elkaar verstrengeld raken, wat betekent dat hun eigenschappen onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn, ongeacht de afstand tussen hen. Als je de toestand van het ene verstrengelde deeltje meet, weet je onmiddellijk de toestand van het andere deeltje, zelfs als ze kilometers van elkaar verwijderd zijn. Einstein noemde dit “spookachtige actie op afstand” (“spooky action at a distance”).
- Drie deeltjes betrokken:
- Qubit van de zender (A): Dit is het deeltje waarvan de kwantuminformatie geteleporteerd moet worden.
- Verstrengeld paar (B en C): Twee deeltjes (bijvoorbeeld fotonen) die met elkaar verstrengeld zijn. Zender (Alice) heeft één deeltje (B) en ontvanger (Bob) heeft het andere deeltje (C).
- Gezamenlijke meting door de zender (Alice):
- Alice voert een gezamenlijke meting uit op haar qubit (A) en haar deel van het verstrengelde paar (B).
- Deze meting vernietigt de oorspronkelijke kwantumtoestand van qubit A en verandert de verstrengelde toestand van de deeltjes B en C.
- Het resultaat van deze meting zijn echter klassieke bits van informatie (bijvoorbeeld 00, 01, 10 of 11).
- Klassieke communicatie:
- Alice stuurt de resultaten van haar meting (de klassieke bits) via een traditioneel communicatiekanaal (bijvoorbeeld via e-mail, telefoon of radio) naar Bob.
- Dit is een cruciaal punt: de kwantuminformatie zelf reist niet sneller dan het licht. De klassieke informatie die nodig is om de kwantumtoestand te reconstrueren, is beperkt door de lichtsnelheid. Zonder deze klassieke informatie kan Bob de oorspronkelijke toestand niet herstellen.
- Reconstructie door de ontvanger (Bob):
- Bob ontvangt de klassieke bits van Alice.
- Op basis van deze klassieke informatie voert Bob specifieke kwantumoperaties uit op zijn deel van het verstrengelde paar (C).
- Deze operaties transformeren de toestand van deeltje C precies in de oorspronkelijke kwantumtoestand van deeltje A. De kwantuminformatie is nu effectief “geteporteerd”.
Waarom is dit geen “echte” teleportatie zoals in sciencefiction? - Geen materieoverdracht: Er wordt geen fysiek object of materie verplaatst. Alleen de informatie over de kwantumtoestand van een deeltje wordt overgedragen. De oorspronkelijke qubit bij Alice verdwijnt feitelijk in het proces.
- Geen instantane overdracht: Hoewel de verstrengelde deeltjes “direct” op elkaar lijken te reageren, is de volledige teleportatie niet instant. De klassieke informatie moet nog steeds met de snelheid van het licht reizen.
- Deeltjes moeten al aanwezig zijn: De deeltjes waaruit de geteleporteerde informatie wordt opgebouwd, moeten al aanwezig zijn op de ontvangende locatie.
Toepassingen van kwantumteleportatie:
Hoewel het geen “beam me up, Scotty” is, is kwantumteleportatie van enorm belang voor de ontwikkeling van: - Kwantumcomputers: Voor het overdragen van kwantuminformatie (qubits) tussen verschillende componenten van een kwantumcomputer.
- Kwantumcommunicatie: Voor het ontwikkelen van ultrabeveiligde communicatienetwerken (kwantuminternet) waar afluisteren onmogelijk is vanwege de fundamentele wetten van de kwantummechanica. Kwantumteleportatie maakt het mogelijk om kwantuminformatie over lange afstanden te versturen.
- Kwantumsensoren: Voor het verbeteren van de nauwkeurigheid van meetinstrumenten.
Kortom, een kwantumveld (of beter gezegd, de principes van de kwantummechanica, waaronder verstrengeling) maakt het mogelijk om kwantuminformatie te “teleporteren” door een ingenieus proces van verstrengeling, gezamenlijke meting en klassieke communicatie, waardoor een identieke kwantumtoestand op een andere locatie kan worden gereconstrueerd.