Griezelactie

Hoe een weddenschap eindigde in topwetenschap

Door Bart Braun

De Leidse statisticus Richard Gill droeg 'min of meer voor de lol' een steentje bij aan het Delftse quantum-experiment waarvan de eerste resultaten vorige week online kwamen.

Het wetenschappelijke artikel is nog niet af en de meetgegevens zijn nog niet openbaar (de voorlopige versie staat hier). Maar het nieuws was te groot om te laten rijpen. Wetenschappers uit Delft, Barcelona en Oxford haalden de internationale pers omdat ze een zogeheten Loophole Free Bell Test hebben uitgevoerd. Her en der valt het woord ‘Nobelprijs’ al.

Wat voor test, zei je?
Oké, even een stapje terug. Natuurkundigen beschrijven het gedrag van superkleine deeltjes met de quantummechanica. Dat stelsel van wiskundige vergelijkingen werkt als een tierelier: voorspellingen komen uit tot ver achter de komma, en het brengt gave toepassingen als computers en lasers met zich mee. Het nadeel is dat de conclusies vaak tegen je intuïtie ingaan.

Bijvoorbeeld?
Quantumdeeltjes kunnen een zogeheten superpositie hebben: ze verkeren dan in twee verschillende toestanden – of ze zijn op twee verschillende plekken tegelijk – zolang je maar niet kijkt. Dan stort ineens de superpositie in, en belandt het deeltje in één van de toestanden.
Quantumdeeltjes kunnen ook met elkaar verstrengeld zijn. Ze horen dan bij elkaar, en hun eigenschappen ook. Meet je aan het ene deeltje, dan verliest ook het andere deeltje haar superpositie, en ook daarvan liggen dan de eigenschappen vast. Elektronen hebben een eigenschap die spin heet. Meet je bij het ene elektron een spin omhoog, dan is bij een verstrengeld exemplaar de spin omlaag.

En waarom ligt de wetenschappelijke wereld daar wakker van?
Het maakt niet uit hoe ver de twee deeltjes uit elkaar liggen.

Nou en?
Hoe weet dat andere elektron nou dat ‘ie ineens een spin omlaag moet hebben?

Communiceren ze op één of andere manier met elkaar?
Probleem is dat áls die communicatie bestaat, hij in het Delftse experiment sneller moet zijn gegaan dan het licht, en dat mag niet van Einstein. Die was zelf overigens geen fan van quantumverstrengeling, en noemde het ‘griezelactie op afstand.’

Ik ben op vakantie en kijk in mijn koffer. Daar ligt een linkerhandschoen. Dan weet ik onmiddellijk dat de handschoen die thuis ligt mijn rechterhandschoen is, hoe ver ik ook van huis ben. Vond Einstein dat griezelig?
Nee, dit was juist een van zijn argumenten tegen de quantummechanica. Zou het niet waarschijnlijker zijn dat er een verborgen variabele - in dit voorbeeld de handschoenenfabriek - bestaat die de gezamenlijke meetresultaten verklaart? Dat brengt ons op meneer John Bell, waar die Bell Test naar vernoemd is. Die rekende in de jaren zestig voor dat er een maximale hoeveelheid correlaties is tussen twee deeltjes die je met zulke verborgen variabelen kan verklaren. Die limiet is in het Delftse experiment waarschijnlijk overschreden.

“Waarschijnlijk”?
Laten we even aannemen dat de proefopzet zelf deugt – dat is iets waar de peer review met het fileermes in de hand naar zal kijken. Afhankelijk van hoe je het berekent, is dat kans dat de Duften het mis hebben dan 2,5% of 3,9%. De meeste wetenschappers vinden alles onder de vijf procent acceptabel, maar natuurkundigen leggen de lat meestal flink hoger. ‘Dit is op het randje’, legt de Leidse statisticus prof.dr. Richard Gill uit. ‘Maar ze hebben het wel heel netjes gedaan, en zelfs van tevoren aangekondigd welke statistische methode ze zouden gaan gebruiken. Hier is niet vals gespeeld met de statistiek.’

Waarom praat Mare met Gill, en niet met de auteurs zelf?
De onderzoekers praten niet met de pers. Grote wetenschapsbladen verbieden dat, totdat het artikel op hun pagina’s te vinden is. In het dankwoord en de literatuurlijst is echter Gill te vinden: de publicatie gebruikt statistische methoden die hij ooit introduceerde.
Gill: ‘Zo’n vijftien jaar geleden ging ik een weddenschap aan met iemand die beweerde dat zijn computerprogramma een Bell-test kon nabootsen. Ik stelde dat dat niet kon, en ik wilde winnen, dus ik heb mij verdiept in de achterliggende statistiek, de zogeheten martingaal-theorie.
De voorwaarde die ik toen stelde aan zijn experiment – en die in Delft ook is toegepast – was randomisering: je gooit een muntje op om te bepalen welke metingen je wel en niet doet, om geheugen- en tijdseffecten uit te schakelen. Die theorie heb ik op wat obscure plekken gepubliceerd, maar de laatste jaren hebben experimentele groepen die stukken opgepikt en verbeterd. Dat laatste was wel nodig: ik wilde alleen een weddenschap winnen, terwijl zij natuurkundige geschiedenis wilden schrijven.’
Volgende week gaat Gill op bezoek in het Delftse lab. Was hij niet liever co-auteur geweest? ‘Ik ben allang blij dat ze iets van mij hebben kunnen gebruiken. Dit was iets dat ik min of meer voor de lol deed, dat nu wordt geïncorporeerd in topwetenschap. Ik ben dan wel geen co-auteur, maar wel lid van de grotere wetenschappelijke gemeenschap die dit gedaan heeft. En wie weet wat er nog komen gaat: ik denk dat je met slimmere statistiek sterkere resultaten zou kunnen krijgen uit dezelfde meetgegevens.’

Maar als je een hogere significantie wil, is dat toch gewoon een kwestie van langer doormeten?
Dat is net zoiets als aan een Olympisch hardloper vragen waarom die niet gewoon wat meer vaart zette. ‘Je werkt met supergevoelige apparatuur’, legt Gill uit. ‘Als er een vrachtwagen langsrijdt, als iemand struikelt over een kabel in het lab, als er wat dan ook, dan verstoort dat je metingen. En hoe langer je meet, hoe meer ruis die verstoringen veroorzaken. Delft heeft nu 245 metingen; als het simpel was geweest om er meer te doen, hadden ze dat heus wel gedaan.’
Oftewel: dit werk is moeilijk. Dat is ook de reden dat decennialang heeft geduurd voordat deze proef werd uitgevoerd. Er zijn al heel wat Bell tests gedaan, maar er was altijd wel een uitweggetje, een loophole, voor wie echt niet aan de quantummechanica wilde. De onderzoekers maten wel lichtdeeltjes, maar niet álle lichtdeeltjes die vrijkwamen, en je weet niet of de deeltjes die je meet representatief zijn voor alle lichtdeeltjes. Of de twee te meten deeltjes stonden zo dicht bij elkaar dat ze in theorie met elkaar konden communiceren. Of-

-Maar in Delft waren er dus niet van die mazen?
In twee Delftse labs, op 1,3 kilometer van elkaar vandaan, schoten ze met lasers op elektronen in een diamantje. Die elektronen zonden dan een lichtdeeltje uit, en die twee lichtdeeltjes kwamen samen op een derde plek, waar ze verstrengeld raakten – en daarmee de elektronen waar ze uitkwamen ook. Daar deden ze dan metingen aan, zo snel dat communicatie tussen de diamantjes niet mogelijk was.

Dus de quantummechanica klopt. Maar bleek dat niet ook al uit die uitgekomen voorspellingen en de vele toepassingen?
Dit zijn vooral de natuurkundige puntjes op de i, maar natuurkundigen zijn dol op precisie. Bovendien ligt er een mooie toepassing in het verschiet: de zogeheten quantum-encryptie. Je kan met die verstrengelde elektronen een cijferreeks genereren om een tekst mee te ontsleutelen. Zender en ontvanger hebben allebei dezelfde reeks van enen en nullen, want de elektronen waren verstrengeld, en niemand anders kan dat getal weten. Als een boosaardige hacker probeert om voortijdig een glimp van hun sleutel te krijgen, verliezen de elektronen hun superpositie en weet je dat er stront aan de knikker is. Een quantumversleuteling is per definitie veilig, zelfs als je hem van de boosaardige hacker zelf hebt gekregen.
Zulke quantumversleutelingen kan je nu ook al kopen; ze zijn op verschillende manieren te maken. Theoretisch zit er echter een addertje onder het gras. Die hacker kan namelijk best een apparaat verkopen waar met grote letters “MET SUPERECHTE QUANTUMS!” op staat, maar dat in werkelijkheid alle klanten dezelfde code van nullen en enen geeft die hij er van tevoren in heeft gestopt. Dan kan hij met iedereen meelezen. Hoe bewijs je nou dat zo’n apparaat echt doet wat de maker zegt? Met een loophole-vrije Bell-test. In 2011 schreef wetenschapsblad Science een artikel over de race tussen verschillende onderzoeksgroepen om zo’n test uit te voeren. ‘Ineens had dit van oorsprong filosofische experiment een praktisch doel, met commerciële beloningen’, stelde een Spaanse onderzoeker toen. Nu is het afwachten of die beloningen naar Delft zullen gaan.

Deel dit bericht:

Voorpagina

Generatie studieschuld

De tijd van stufi is voorbij. Wat nu? Op een houtje bijten of maximaal lenen? ‘Ik …

Achtergrond

Klussen zoals toen

Deze zomer verbleef een groep archeologen in Zeewolde. Ze leefden zoals in de steentijd …

Wetenschap

Griezelactie

De Leidse statisticus Richard Gill droeg 'min of meer voor de lol' een steentje bij …

Reproduceerbaarheid

Een internationaal onderzoeksteam deed honderd psychologie-onderzoeken over. Bij …

Studentenleven

English page