Kwantumverstrengeling

In 1935 bedenken Einstein en twee collega’s, Boris Podolsky en Nathan Rosen, dat de kwantummechanica, alhoewel ze helemaal correct is, toch nog een verdere verklaring behoeft. Ze is volgens hen nog onvolledig. Het experiment dat ze besluiten uit te voeren, dat later bekend werd als de EPR paradox, gaat vereenvoudigd weergegeven als volgt:

Er is een bron die een elektronenpaar uitzendt, waarvan beide elektronen  (A en B)  een tegengestelde spin hebben. De spin (Engels, to spin = draaien) is een intrinsieke eigenschap van het elektron, zoals zijn lading of zijn massa. Spin kan voorgesteld worden als een rotatie, links- of rechtsom, “up” of “down” genoemd. In het elektronenpaar heeft elektron A een spin up en elektron B een spin down, of omgekeerd. Beide elektronen worden vervolgens ieder naar een andere kant gestuurd naar twee meetopstellingen op gelijke afstand van de bron.

Een kop uit de New York Times van 4 mei 1935, over het artikel dat Einstein met Podolsky en Rosen schreef.

Verstrengeling tussen objecten. Een verandering in het ene object brengt automatisch een verandering in het andere mee, zoals bijvoorbeeld twee in elkaar geslagen handen. We zien hier twee verstrengelde touwen. Hier is de eigenschap ‘plaats’ verstrengeld. Alleen samen kunnen we ze verplaatsen. Als we weten waar het ene touw is, kennen we ook de plaats van het andere. Verstrengelde elektronen gedragen zich een beetje mysterieuzer. Ook ver van elkaar blijven ze verstrengeld.

Van A wordt nu de spin gemeten. Volgens de kwantummechanica wordt pas op dat moment bepaald wat de spin is, bijvoorbeeld up. Tegelijk wordt B gemeten en volgens de kwantummechanica is zijn spin nu met 100% zekerheid down. (Als A niet zou zijn gemeten, dan is het resultaat van B willekeurig up of down). Het ene elektron B ‘weet’ als het ware dat er aan het andere A een meting is gebeurd, ook al is de afstand tussen beide onbeperkt groot. Men zegt dat beide deeltjes verstrengeld zijn. Einstein kon dat niet geloven en noemde het een spooky action at a distance, een spookachtige actie op afstand: hoe kan B nu ‘weten’ wat er met A gebeurd is?

Hoe kan dat nu? Kunnen de elektronen onmiddellijk informatie naar elkaar doorsturen, met grotere snelheid dan de lichtsnelheid? Nee hoor: de meetstations kunnen niet zelf informatie naar elkaar sturen, sneller dan het licht. Ieder station ziet bij de metingen willekeurig up en down, en pas als ze later de resultaten naast elkaar leggen, blijkt dat ze altijd tegengesteld zijn.

Er is dus geen probleem met de lichtsnelheid. Maar een heel bevredigende verklaring voor deze verstrengeling, die weliswaar helemaal door experimenten bevestigd wordt, is er ook nog niet. Dat belet echter niet dat het  verschijnsel verstrengeling gebruikt wordt om tal van verschijnselen te verklaren. Het vormt ook een basis voor de kwantumcomputers.