In de quantumwereld vinden natuurkundige verschijnselen plaats die we in onze alledaagse wereld op grote schaal nooit waarnemen. Een van die verschijnselen is quantumverstrengeling, waarbij twee of meer systemen eigenschappen delen op een manier die metingen aan de systemen beïnvloedt. Het beroemde voorbeeld is dat van twee elektronen die zo verstrengeld kunnen zijn dat ze – zelfs als ze ver van elkaar verwijderd worden – in waarnemingen in dezelfde richting spinnen, grofweg ‘met de klok mee’ of ‘tegen de klok in’, terwijl toch van de individuele elektronen de spinrichting vooraf niet voorspeld kan worden.

Verstrengeling van meerdere systemen

Het genoemde voorbeeld is in zekere zin beperkt: verstrengeling hoeft niet noodzakelijk tussen twee quantumsystemen plaats te vinden. Verstrengeling tussen meerdere systemen – in het Engels: multiparty entanglement – komt ook voor, en kan zelfs zo sterk zijn dat als voor een van de systemen een bepaalde eigenschap wordt waargenomen (denk weer aan ‘met de klok mee spinnen’), dezelfde eigenschap ook voor álle andere betrokken systemen zal worden waargenomen. Dergelijke meerdeeltjesverstrengeling staat bekend als een GHZ-toestand, naar natuurkundigen Daniel Greenberger, Michael Horne en Anton Zeilinger.

Verstrengeling tussen meer dan twee systemen wordt in het algemeen nog slecht begrepen, en natuurkundigen hebben geen systematisch beeld van de werking ervan. In een nieuw artikel dat deze week in Physical Review Letters werd gepubliceerd, maken UvA-natuurkundige Michael Walter en zijn collega Sepehr Nezami bij Caltech een begin met het opvullen van deze leemte. Ze doen dat aan de hand van een theoretische studie naar een brede klasse van veeldeeltjessystemen en hun verstrengelingseigenschappen. Daarbij gebruiken ze een wiskundige techniek die bekendstaat als een ‘tensornetwerk’. De wetenschappers tonen aan dat de meetkundige eigenschappen van dit netwerk een scala aan nuttige informatie geven over de verstrengeling van de onderzochte toestanden.

Het meer gedetailleerde begrip van quantumverstrengeling dat de auteurs zo bereiken, kan allerlei toekomstige toepassingen hebben. De oorspronkelijke motivatie voor het onderzoek kwam voort uit vragen in de zoektocht naar een beter begrip van de quantumeigenschappen van de zwaartekracht, maar het ontwikkelde technische gereedschap is ook bijzonder nuttig in de theorie van quantuminformatie die wordt gebruikt om quantumcomputers en quantumsoftware te ontwikkelen.

Publicatie

Multipartite Entanglement in Stabilizer Tensor Networks, Sepehr Nezami en Michael Walter, Phys. Rev. Lett. 125, 241602.