Chinese quantum-satelliet is kampioen verstrengelen

Natuurkunde

Chinese wetenschappers hebben quantumverstrengeling aangetoond over een recordafstand van 1.200 kilometer.

De satelliet Micius, genoemd naar een Oud-Chinese filosoof, maakt verbinding met een grondstation. Foto Xinhua / eyevine

De Chinese satelliet Micius heeft paren van quantumverstrengelde lichtdeeltjes gemaakt met een onderlinge afstand van 1.203 kilometer – een enorme verbetering van het vorige record, dat op 143 kilometer stond.

Quantumverstrengeling houdt in dat een meting aan deeltje A onmiddellijk de uitkomsten van metingen aan deeltje B beïnvloedt, zelfs al zit er op dat moment ruim 1.200 kilometer tussen.

Aan boord van de Micius is een laser met optische apparatuur die paren van infrarode lichtdeeltjes produceert en in twee bundels naar de aarde stuurt. Die lichtdeeltjes, melden de onderzoekers nu, zijn aantoonbaar ‘quantumverstrengeld’.

Micius, genoemd naar de Oud-Chinese filosoof Mozi of Micius, werd op 16 augustus vorig jaar gelanceerd aan boord van een Lange Mars-2-raket vanuit de Gobi-woestijn. Met deze geslaagde eerste quantumcommunicatieproef in de ruimte, beschreven in Science (16 juni), neemt China een voorsprong in een gebied met militaire en financiële toepassingen, dat ook interessant is voor inlichtingendiensten.

Deze ‘spookachtige afstandswerking’ was voor Albert Einstein ooit reden om te twijfelen aan de theorie van de quantummechanica. Maar experimenten, onder andere aan de TU Delft in 2015, hebben laten zien dat quantumverstrengeling, hoe spookachtig ook, gewoon bestaat. Het heeft zelfs toepassingen: niet-afluisterbare communicatie. De allereerste quantumcommunicatiesatelliet moet een voorloper worden van een fundamenteel niet-afluisterbaar quantumcommunicatienetwerk.

Versleutelen

Een manier om een geheime boodschap te versturen, is om de boodschap te versleutelen. Dat kan met een ‘encryptiesleutel’, een lange reeks enen en nullen. Alleen als de ontvanger de sleutel ook heeft, kan ze de boodschap ontcijferen.

Quantumverstrengeling biedt een manier om deze sleutel samen af te spreken, zonder dat die stiekem afgeluisterd kan worden. Dat gaat zo: beide partijen ontvangen een reeks verstrengelde fotonen, bijvoorbeeld van Micius. Ze doen beiden metingen die – vanwege de verstrengeling – exact tegenovergestelde waarden opleveren, waaruit dus beiden de sleutel kunnen afleiden. Maar een afluisteraar die fotonen onderschept, zal metingen aan de fotonen uitvoeren, en daarmee de verstrengeling opheffen. De communicerende partijen detecteren dat: de afluisteraar is betrapt. Quantumverstrengeling kan onderschepping dus niet voorkomen, maar wel detecteerbaar maken.

Wel is het lastig om op deze manier grotere afstanden te overbruggen. De fotonen blijven verstrengeld, maar de signalen worden wel zwakker en dus lastiger te meten. En je kunt ze niet gewoon onderweg versterken en opnieuw versturen, omdat ook dát op een meting neerkomt. Om de lichtbundels zo min mogelijk uit te smeren en te verzwakken, gebruikt Micius zend-telescopen van 18 en 30 cm doorsnee, waardoor de bundel over honderden kilometers afstand maar enkele meters breed wordt.

Quantumverstrengeld

Tijdens het overkomen van Micius blijven de bundels dankzij een tracking-systeem met twee hulplasers gericht op telescopen in het westen, midden en zuiden van China, met onderlinge afstanden van 1.120 en 1.203 kilometer. Met correlaties tussen gemeten fotonen in de grondstations laten de onderzoekers zien dat de paren fotonen ook over deze afstanden nog steeds netjes quantumverstrengeld zijn.

Recordhouder op het onderdeel lange-afstands-quantumverstrengelen was de Europese ruimtevaartorganisatie ESA, met quantumverstrengeling tussen observatoria op de eilanden Tenerife en La Palma, onderlinge afstand 143 kilometer. Maar plannen voor een Europese quantumcommunicatiesatelliet zijn de tekentafel nooit ontstegen.

Een kleine Deens-Singaporees-Amerikaanse quantumcommunicatiesatelliet ging in 2014 verloren toen een Amerikaanse Antares-raket kort na de lancering explodeerde.

Wijziging
Aanvankelijk was de kop van dit artikel: Verstrengelde lichtdeeltjes vestigen nieuw record