Kwantumcommunicatie is altijd nonlokaal

Publication date: 31-03-2016

Onderzoekers van CWI, de Universiteit van Gdansk, de Technische Universiteit Gdansk, Adam Mickiewicz University en de Universiteit van Cambridge hebben bewezen dat kwantumcommunicatie altijd non-lokaal is. Ze laten zien dat het altijd mogelijk is om nonlokaliteit te vinden in gevallen waar kwantumcommunicatie efficiënter is dan klassieke communicatie. Hun artikel 'Quantum communication complexity advantage implies violation of a Bell inequality’, verscheen deze maand in het invloedrijke tijdschrift PNAS.

Het is al lang bekend dat de kwantummechanica tegenintuïtieve verschijnselen voorspelt, zoals onmiddellijke interactie op afstand tussen ver van elkaar verwijderde verstrengelde deeltjes. Dit teleportatie-effect, dat door Albert Einstein 'spooky action at a distance' werd genoemd, werd lang gezien als bewijs dat de kwantummechanica nog niet helemaal klopte. In 1964 toonde de natuurkundige J.S. Bell echter aan dat het geen enkele theorie die alleen van lokale effecten uitgaat alle voorspellingen van de kwantummechanica kan reproduceren. Met andere woorden: het is onmogelijk om klassieke verklaringen voor kwantumcorrelaties te vinden. Dit bewijs voor het bestaan van nonlokaliteit werd bekend als de Bell-ongelijkheid.

Lange tijd werden kwantumcorrelaties als buitenissigheden gezien die alleen interessant waren voor filosofisch ingestelde natuurkundigen, en niet bruikbaar in de praktijk. Dit is de laatste jaren behoorlijk veranderd. Kwantumcorrelaties bleken erg nuttig in informatieverwerking. Bij verschillende communicatieprotocollen bleek het gebruik van kwantumeffecten te zorgen voor een sterke verlaging van de communicatiecomplexiteit: het minimum aantal stappen dat nodig is om met twee partijen een bepaalde taak te volbrengen. In zulke gevallen is er een zogenaamd kwantumvoordeel in de communicatiecomplexiteit.

Het vermoeden bestond al enige tijd dat alle voordelen in kwantumcommunicatie uiteindelijk gebaseerd zijn op overtredingen van de Bell-ongelijkheid, en dus het gevolg van nonlokaliteit. Tot nu toe waren overtredingen van de Bell-ongelijkheid alleen aangetoond voor een beperkt aantal kwantumprotocollen. In hun PNAS-artikel laten de onderzoekers nu een universele methode zien die een overtreding van de Bell-ongelijkheid afleidt in elke situatie met een (groot genoeg) kwantumcommunicatievoordeel. Dit resultaat is een belangrijke stap in de kwantumcommunicatie en verdiept het begrip van het verband tussen nonlokaliteit en kwantumcommunicatieprotocollen.

Het kwantumonderzoek op CWI is geconcentreerd in het QuSoft onderzoeksinstituut, dat een gezamenlijke onderneming is van CWI, UvA en VU. De missie van QuSoft is het ontwikkelen van nieuwe protocollen, algoritmes en toepassingen die kunnen draaien op kleine en middelgrote prototypes van kwantumcomputers. De focus van het instituut is de ontwikkeling van kwantumsoftware, dat fundamenteel andere technieken en benaderingen vereist dan conventionele software.