Op de negende verdieping van het Huygensgebouw werkt een kleine maar toegewijde groep natuurkundigen, veelal in het donker. Ze schroeven lasers vast op werkbanken, en proberen storingen uit hun detectoren of spatial light modulators te krijgen. Als het een ècht goede dag is, als alle apparatuur werkt en het rekenwerk dat ze eerder al deden klopt, begrijpen ze ietsje beter hoe licht in elkaar zit, en hoe het werkt.
Als Mare langskomt, wijzen ze vriendelijk de weg. ‘Ah ja, Wolfgangs paper in PRL. Mooi werk!’ zeggen ze enthousiast. ‘Entanglement op baanimpulsmoment van vier fotonen, toch?’ De quantum-optici begrijpen prima wat er gebeurt op hun afdeling. Dit artikel is niet voor hen.
De rest van de universiteit heeft een iets langere warming up nodig om hierover mee te kunnen praten, en dus hakken we het probleem in kleine stukjes.
Wolfgang is de voornaam van dr. Wolfgang Löffler, een Duitse onderzoeker die nu een jaar of zeven in Nederland woont. PRL is kort voor Physical Review Letters, de naam van het wetenschappelijke vakblad waarin binnenkort een artikel van Löffler verschijnt. Dat artikel gaat over fotonen: lichtdeeltjes.
Lichtdeeltjes, andere elementaire deeltjes en diverse héél erg kleine dingen laten zich zeer goed beschrijven met een stelsel van wiskunde vergelijkingen dat de quantummechanica heet. Die quantummechanica doet allerlei voorspellingen over de werkelijkheid die voor grote mensen misschien wat raar lijken, maar die keer op keer uitkomen. Eén van die voorspellingen is dat deeltjes met elkaar verstrengeld kunnen zijn – die entanglement, die Löfflers collega noemt. Twee deeltjes kunnen, bijvoorbeeld als ze op hetzelfde moment vrijkwamen, verbonden zijn. De eigenschappen van de een en die van de ander hangen dan samen met elkaar.
Het hoeven trouwens niet per se twee deeltjes te zijn. In het jaar 2000 verstrengelden Amerikaanse onderzoekers vier deeltjes, en inmiddels staat het record op veertien. Dus waarom is dat viertal van Löffler dan nog het vermelden waard?
Dat heeft te maken met een eigenschap die licht kan hebben, die het baanimpulsmoment heet. Impulsmoment is het natuurkundewoord voor de hoeveelheid draaiing die iets heeft. Een biljartbal die om zijn as draait heeft een impulsmoment, en eenzelfde bal die twee keer zo snel om zijn as draait, heeft een twee keer zo hoog impulsmoment. Stoot je een biljartbal met spineffect tegen een andere biljartbal, dan gaat die ook draaien. ‘Zo is het met het baanimpulsmoment ook’, legt Löffler uit: ‘Alleen gaat het daarbij niet om een spin – draaien om de as, net als de aarde. Maar om een orbit – draaien in een baan, zoals de aarde om de zon. Als je licht met een baanimpulsmoment op heel kleine dingen laat vallen, gaan ze rondjes draaien.’
Licht is behalve een deeltje ook een golf, en je kan het zogeheten golffront uittekenen. Als je een steen in het water gooit, zien de golffronten eruit als cirkels rond je steen. Bij laserlicht, zonder baanimpulsmoment, ziet het eruit als een rij vlakken, haaks op de richting van de lichtstraal. Voor licht met een baanimpulsmoment zien de golffronten eruit als een schroefdraad.
Meestal als natuurkundigen naar quantummechanische eigenschappen kijken, zijn er maar twee opties. Een deeltje is wel of niet vervallen, een spin is up of down, enzovoort. Maar dat baanimpulsmoment heeft veel meer opties: niet alleen kan de schroef linksom of rechtsom draaien, maar ook met verschillende snelheden. De schroef kan ook meer of minder richeltjes per centimeter hebben, net als de schroeven in de bouwmarkt. Löffler: ‘Dit is de eerste keer dat een eigenschap van een hogere dimensie verstrengeld is op meer dan twee deeltjes.’
‘Dat betekent dat je met één foton veel meer informatie kan verzenden’, legt Löffler uit. Licht gaat sowieso al met de snelheid van het licht, maar door er zo’n schroefslinger aan te geven, kan je data nog sneller overpompen. In 2012 deden Californische onderzoekers dat met een snelheid van 2.56 terabit per seconde. Dat zijn zo’n vierduizend dvd’s per minuut - bijna honderdduizend keer zo snel als een normale wifi-verbinding.
Löffler maakte zijn vier verstrengelde fotonen door met een laser te schieten op een bepaald kristal, kaliumtitanylfosfaat. Daarbij ontstaan af en toe vier verstrengelde fotonen. Hoe weet je nu of dat één viertal met elkaar verstrengelde fotonen is, en niet twee paar? ‘Dat is de reden dat mijn Oostenrijkse collega Beatrix Hiesmayr de eerste auteur is van ons artikel, terwijl mijn collega Michiel de Dood en ik al het labwerk hebben gedaan’, glimlacht Löffler. ‘Haar theoretisch werk laat zien hoe je het verschil kan bepalen.’ Die wiskunde is meer iets voor Physical Review Letters dan voor Mare. ‘Het is zo’, vat hij de conclusie samen.
Het verstrengelen van deeltjes is interessant voor de zogeheten quantumcryptografie. Als je een boodschap met verstrengelde deeltjes verstuurt, kan je zien of er iemand stiekem mee heeft geluisterd (omdat ze dan niet meer in een zogeheten superpositie zijn, meer daarover hier). Als je meer dan twee deeltjes verstrengelt, kun je ineens met meer dan één iemand anders tegelijk praten. Löffler: ‘Of controleren dat de andere twee niet worden afgeluisterd.’
Zelf vindt hij het fotonenviertal vooral interessant omdat je het licht kan gebruiken om metingen te doen aan allerlei quantumverschijnselen. ‘Als je met vier fotonen tegelijk meet, gaat je resolutie met de vierde macht omhoog. Er zijn heel veel van zulke processen die nog nauwelijks bekend zijn, dus daar valt nog veel te ontdekken.’