De schimmigheid tegemoet

Quantummechanica in supercomputers en onkraakbaar geheimschrift komt eraan. Dat heeft ook schaduwzijden, zegt Dirk Bouwmeester, een van de pioniers. Komende week spreekt hij in Den Haag....

Door Martijn van Calmthout

Hij was tot nog toe steeds op het goede moment op de goeie plaats. Begin jaren negentig in Innsbruck toen daar voor het eerst fotonen van de ene kant van de kamer naar de andere werden geteleporteerd. Daarna in Oxford waar de quantumcryptografie op de kaart werd gezet. En sinds drie jaar in Santa Barbara, waar harder dan waar ook ter wereld wordt gewerkt aan quantumcomputers.

En toch, zucht Dirk Bouwmeester (1967, in 1995 gepromoveerd in Leiden), op de vraag of het hem daarginds in Californië bevalt, is het niet alles goud wat er blinkt. 'Afgezien van de politieke situatie is het hier geweldig. De beste collega's, fantastische apparatuur. Maar als je geen militaire funding voor je werk accepteert, heb je bepaald geen gemakkelijke tijd', zegt hij. Bouwmeester heeft een verantwoordelijkheid voor een groep van zo'n veertien onderzoekers, post-docs en studenten, deels meegebracht uit Oxford.

Miljoenen Bouwmeester: 'Het is de laatste jaren één en al home land security wat de klok slaat. Er zijn hier mensen die met een relatief zwak verhaal tientallen miljoenen binnenhalen, meer geld dan waarmee ze raad weten. Wij gaan met tonnen van project naar project.' De Nederlandse onderzoeker, die op 22 maart in Den Haag de jaarlijkse Huygenslezing van NWO en NR C Ha n d e l s b l a d verzorgt, is vooral uit principe tegen inmenging van de militaire financiers in zijn werk. Wetenschappers moeten zich wat hem betreft verre houden van bewapening en wat daaromheen hangt. 'Maar er is ook een minder principieel punt. Je maakt je heel afhankelijk. Als het de geldschieters niet zint, wat je vindt, ben je de steun ook zo weer kwijt.'

Dat veiligheidsdiensten en militairen zoveel interesse hebben in Bouwmeesters expertise, is niet raar. Hij is gespecialiseerd in de bruikbaarheid van quantummechanica. Als daarin doorbraken komen, is de kans groot dat ze leiden tot superieure rekenkracht en onkraakbare geheimschriften. Dat zijn precies de dingen waarvan een almachtige staat droomt.

Quantummechanica werd in essentie al bedacht in de jaren twintig van de vorige eeuw, maar het blijft een uitermate bizarre tak van de natuurkunde. De theorie beschrijft hoe lichtgolven bestaan uit pakketjes energie, alsof ze ook deeltjes zijn. En hoe omgekeerd de kleinste deeltjes zich gedragen als golven, niet zozeer van energie maar van waarschijnlijkheid: bij een golftop is de kans een deeltje aan te treffen groter dan bij een dal. Deeltjes bevinden zich overal een beetje, en hebben een beetje van alle toestanden die ze kunnen aannemen. Pas bij een meting wordt als in een loterij één plaats en één toestand bepaald.

Raar, zegt Bouwmeester, maar het is een mythe dat de quantumtheorie onbegrijpelijk is. 'Richard Feynman zei dat mensen die zeggen het te begrijpen, iets niet hebben begrepen. Dat klinkt leuk, maar mijn ervaring is anders. Als je lang met de theorie werkt, ontwikkel je wel degelijk een intuïtie. Het is een spel, waarvan je de regels uiteindelijk wel in de vingers krijgt. In die zin is het eigenlijk niet veel anders dan de elektrodynamica van Maxwell. Of zelfs de klassieke wetten van Newton.'

De verrassing van de laatste vijftien jaar is dat de schimmigheid van de quantumwereld toch rechtstreeks tot toepassingen kan leiden. Sterker nog, die ongrijpbaarheid is de kern van de meest veelbelovende toepassing. Quantumcomputers rekenen niet met de reguliere enen en nullen, maar met mengsels van die twee toestanden, waardoor er talloze berekeningen tegelijk kunnen worden uitgevoerd, in plaats van één voor één, zoals gewone computers doen. Het principe is inmiddels in het lab gedemonstreerd, met licht.

De basis voor de quantumoptica, Bouwmeesters specialisme, is het splitsen van lichtdeeltjes (fotonen) in samenhangende paren, waarvoor in de jaren negentig een efficiënte techniek werd gevonden. Daarbij ontstaan in een kristal bariumboraat twee fotonen die volgens de quantumtheorie elk afzonderlijk onbepaalde eigenschappen hebben, alleen de som van die eigenschappen staat wel vast. Dat leidt ertoe dat een meting van de toestand van het ene deeltje, ogenblikkelijk bepaalt hoe het andere deeltje eraan toe is. Ook nog als die deeltjes vele lichtjaren van elkaar verwijderd zijn geraakt.

Deze quantumverstrengeling is nog steeds een raadsel, benadrukt Bouwmeester. 'Het is als een tweeling waarvan je maar één ding zeker weet: dat ze mekaar altijd tegenspreken. Je brengt ze ver uit elkaar en stelt één van beide willekeurige vragen en noteert de antwoorden. Wat je ook vraagt, de ander zal steeds het omgekeerde beweren, zonder dat die twee contact hebben. Einstein wilde er niet aan. Maar proeven wijzen uit dat entanglement echt is. Zo werkt dit universum kennelijk.'

Te l e p o r t a t i e Quantumverstrengeling leidt tot interessante mogelijkheden. Het maakt om te beginnen teleportatie realiseerbaar: het verzenden van een heel object (althans zijn toestand). Maar verreweg de meeste belangstelling gaat uit naar quantumcryptografie, geheimschrift.

Bij klassieke cryptografie husselt de afzender de letters van een boodschap door elkaar door hem te bewerken met een sleutel. De ontvanger moet die sleutel hebben of kennen, om de boodschap weer leesbaar te maken. Probleem is dat de sleutel ook gestolen kan worden, of nagemaakt. Dan kan een derde partij gewoon meelezen, als het tegenzit zelfs ongemerkt.

Voor elektronisch betalingsverkeer is dat te onveilig. Met moderne schema's met twee of meer sleutels is daar veel aan te doen. Daarin spelen enorme priemgetallen een rol, die alleen met kolossaal veel rekenwerk te vinden zijn. Althans met de huidige computers; quantumcomputers gaan ook daarmee korte metten maken.

Dat is de belangrijkste reden dat wereldwijd wordt gewerkt aan volstrekt willekeurige geheimschriftsleutels, gecreëerd met behulp van paren verstrengelde lichtdeeltjes. Meekijken kan dan niet meer, dat vernietigt meteen de verstrengeling en dus de sleutel. Er wordt al gebouwd aan een eerste communicatiesatelliet met quantumversleuteling, weet Bouwmeester.

Maar de komst van zulke toepassingen wil volgens Bouwmeester niet zeggen dat er geen fundamentele vragen meer zijn. Zo onderzoekt hij met de even eminente als dwarse Britse fysicus sir Roger Penrose of ook grotere objecten dan alleen deeltjes en atomen quantumgedrag kunnen vertonen.

Hij heeft een experiment in voorbereiding waarbij lichtdeeltjes een microscopisch spiegeltje in beweging brengen. De deeltjes zijn quantum: ze zijn op meer plaatsen tegelijk. Maar het spiegeltje niet. Komt zo'n spiegeltje dan ook in een quantumtoestand, waarbij hij zowel wél beweegt als niet, of op twee plaatsen tegelijk kan zijn?

In theorie kan het, zegt Bouwmeester, al zal de voorbereiding van de subtiele proef nog jaren vergen. 'Wat er gaat uitkomen, weet ik echt niet. Maar het aardige is dat we de theorie in het lab tastbaar kunnen maken. En misschien toch iets minder raadselachtig.'

Meer over