Verstrengeling: waarom deeltjes op afstand met elkaar verbonden blijven

Bijgewerkt: 4 augustus 2026 · 6 min leestijd

Stel je twee munten voor die je in aparte dozen stopt en naar tegenovergestelde uiteinden van de aarde stuurt. Zodra je de ene doos opent en "kop" ziet, weet je meteen dat de andere munt "munt" moet zijn. Dat klinkt logisch: de uitkomst lag al vast op het moment dat je de munten instopte, je wist het alleen nog niet. Kwantumverstrengeling lijkt daarop, maar is fundamenteel vreemder. Bij verstrengelde deeltjes ligt de uitkomst pas vast op het moment van meten, en toch "weet" het andere deeltje daar onmiddellijk van, hoe ver weg het ook is. Natuurkundigen hebben met zogeheten Bell-testen aangetoond dat er geen verborgen, vooraf vastgelegde uitkomst kan zijn zoals bij de munten, wat verstrengeling tot een van de meest verwarrende en tegelijk best geteste verschijnselen in de natuurkunde maakt.

Verstrengeling ontstaat wanneer twee of meer deeltjes, bijvoorbeeld fotonen (lichtdeeltjes) of elektronen, op zo'n manier met elkaar in wisselwerking komen dat hun eigenschappen onlosmakelijk met elkaar verbonden raken. Meet je een eigenschap van het ene deeltje, bijvoorbeeld de spin (een soort kwantummechanische draairichting), dan ligt de uitkomst van dezelfde meting aan het andere deeltje op dat moment vast, ook al bevindt dat zich duizenden kilometers verderop. Er gaat geen signaal tussen de deeltjes heen en weer; de correlatie is er domweg. Albert Einstein noemde dit ooit "spookachtige actie op afstand", omdat het niet te rijmen leek met zijn eigen relativiteitstheorie, waarin niets sneller dan het licht kan gaan.

Wat is het precies?

Om verstrengeling te begrijpen, helpt het om eerst superpositie te kennen. In de kwantummechanica hoeft een deeltje niet één vaste eigenschap te hebben voordat je meet: het kan zich in een mengsel van mogelijke uitkomsten bevinden, een superpositie. Pas het meten zelf dwingt het deeltje als het ware om een van die mogelijkheden te "kiezen". Bij verstrengelde deeltjes is die superpositie gedeeld: de twee deeltjes samen bevinden zich in een combinatie van toestanden, en die combinatie kun je niet opsplitsen in twee losse, onafhankelijke beschrijvingen per deeltje.

Dit leidde in 1935 tot wat bekendstaat als de EPR-paradox, genoemd naar Albert Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen. Zij redeneerden dat als je door een meting aan deeltje A onmiddellijk iets zeker weet over deeltje B, deeltje B die eigenschap dan blijkbaar al die hele tijd had, ook al voorspelt de kwantummechanica dat niet. Voor hen was dit een aanwijzing dat de kwantummechanica onvolledig moest zijn en dat er "verborgen variabelen" bestonden die de uitkomst vooraf al vastlegden, zoals bij de munten in de dozen.

Bijna dertig jaar later, in 1964, bedacht natuurkundige John Stewart Bell een manier om dit idee daadwerkelijk te testen. Hij leidde een wiskundige ongelijkheid af waaraan metingen altijd zouden moeten voldoen als er inderdaad verborgen, vooraf bepaalde uitkomsten bestonden. De kwantummechanica voorspelde echter dat verstrengelde deeltjes deze grens zouden overschrijden. Sindsdien zijn tientallen experimenten uitgevoerd die Bell's ongelijkheid daadwerkelijk schenden, in lijn met de kwantummechanica en niet met Einsteins verborgen-variabelen-idee. Belangrijk is wel dat dit geen communicatie sneller dan het licht mogelijk maakt: het zogeheten no-signaling theorema laat zien dat je met verstrengeling geen informatie naar de andere kant kunt sturen, omdat de uitkomst van elke afzonderlijke meting willekeurig blijft. Alleen als je de resultaten van beide kanten achteraf, via een gewoon, niet sneller dan het licht gaand kanaal, met elkaar vergelijkt, zie je de merkwaardige correlatie.

Wat wil men ermee bereiken?

Verstrengeling is geen doel op zich, maar een hulpbron die onderzoekers proberen te benutten voor nieuwe technologie. In kwantumcomputers wordt verstrengeling, naast superpositie, gebruikt om qubits (kwantumbits) met elkaar te laten samenwerken op een manier die met klassieke bits onmogelijk is, wat in theorie bepaalde berekeningen enorm kan versnellen, zoals het factoriseren van grote getallen of het simuleren van moleculen.

In kwantumcryptografie, met name quantum key distribution (kwantumsleuteluitwisseling), gebruikt men verstrengelde fotonen om een geheime sleutel te delen tussen twee partijen. Elke poging tot afluisteren verstoort de kwantumtoestand meetbaar, waardoor afluisteren in principe niet onopgemerkt kan blijven.

Kwantumteleportatie is een andere toepassing: hiermee wordt niet materie, maar de kwantumtoestand van een deeltje overgedragen naar een ander deeltje elders, met behulp van verstrengeling en een klassiek communicatiekanaal. Dit is een belangrijk bouwblok voor een toekomstig kwantuminternet, een netwerk van kwantumknooppunten die via verstrengeling met elkaar verbonden zijn, bedoeld voor extra veilige communicatie en het koppelen van kwantumcomputers. Ook in kwantumsensoren, die bijvoorbeeld magnetische velden of tijd extreem nauwkeurig kunnen meten, speelt verstrengeling een rol om de meetprecisie te verhogen.

Voorbeelden uit de praktijk

Een van de bekendste demonstraties kwam van de Chinese satelliet Micius, gelanceerd in 2016. Het team van natuurkundige Jian-Wei Pan van de University of Science and Technology of China (USTC) publiceerde in 2017 in Science dat de satelliet verstrengelde fotonparen kon verdelen tussen twee grondstations die zo'n 1200 kilometer uit elkaar lagen, veel verder dan via glasvezel op aarde haalbaar was. Dit liet zien dat satellieten een praktische route kunnen zijn om verstrengeling over grote afstanden te verspreiden.

In 2015 voerde de groep van Ronald Hanson aan de TU Delft, onderdeel van onderzoeksinstituut QuTech, wat een "loophole-free" Bell-test wordt genoemd: een experiment met elektronen in diamant op 1,3 kilometer afstand van elkaar, waarbij de bekende mazen (loopholes) in eerdere Bell-testen, zoals timing- en detectieproblemen, waren gedicht. De resultaten, gepubliceerd in Nature, worden gezien als een van de sterkste bevestigingen dat de natuur zich werkelijk niet aan Einsteins verborgen-variabelen-idee houdt.

In 2022 kende het Nobelcomité de Nobelprijs voor de Natuurkunde toe aan Alain Aspect, John Clauser en Anton Zeilinger voor hun experimenten met verstrengelde fotonen vanaf de jaren zeventig tot negentig, die Bell's ongelijkheid schonden en de weg vrijmaakten voor kwantuminformatietechnologie. Zeilingers groep in Innsbruck demonstreerde in 1997 ook een van de eerste geslaagde kwantumteleportatie-experimenten met fotonen.

Bedrijven als IBM en Google Quantum AI gebruiken inmiddels dagelijks verstrengeling in hun kwantumprocessoren. Google claimde in 2019 met zijn Sycamore-chip een taak te hebben uitgevoerd die op een klassieke supercomputer onwerkbaar lang zou duren, een resultaat dat "kwantumsuprematie" werd genoemd en waarbij verstrengeling tussen tientallen qubits een centrale rol speelde, al is de praktische waarde van die specifieke taak beperkt.

Hoe ver is de techniek?

De grootste praktische hindernis is decoherentie: verstrengelde toestanden zijn extreem gevoelig voor verstoring door hun omgeving, zoals warmte, trillingen of stray elektromagnetische velden. Zodra een verstrengeld systeem ongewild interactie heeft met de buitenwereld, valt de kwantuminformatie uiteen en gedraagt het systeem zich weer klassiek. Dit dwingt onderzoekers tot extreme afscherming en koeling, vaak tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt.

Voor kwantumcommunicatie via glasvezel geldt bovendien dat het signaalverlies exponentieel toeneemt met de afstand, waardoor verstrengeling na hooguit enkele tientallen tot ruim honderd kilometer praktisch onbruikbaar wordt. Daarom wordt gewerkt aan kwantumherhalers, tussenstations die verstrengeling kunnen "verversen" zonder de kwantumtoestand te vernietigen, en aan satellietverbindingen zoals Micius als alternatieve route over lange afstand. Beide technieken staan nog in een pril, experimenteel stadium.

Kwantumcomputers zelf tellen momenteel enkele tientallen tot iets meer dan duizend qubits bij de grootste systemen, maar deze zijn nog niet fouttolerant: fouten door decoherentie stapelen zich sneller op dan ze gecorrigeerd kunnen worden voor de meeste nuttige, grootschalige berekeningen. Kwantumfoutcorrectie, die veel fysieke qubits combineert tot één betrouwbare "logische" qubit, is een actief onderzoeksgebied maar vergt naar verwachting nog vele jaren voordat het op de benodigde schaal werkt. Een praktisch, wereldwijd kwantuminternet en grootschalige fouttolerante kwantumcomputers worden door de meeste experts dan ook eerder over een tijdshorizon van tien tot enkele tientallen jaren verwacht, met aanzienlijke onzekerheid over het precieze tempo.

Wie werken eraan?

In de Verenigde Staten investeren bedrijven als IBM, Google Quantum AI, Microsoft en het start-up IonQ zwaar in kwantumhardware waarin verstrengeling een sleutelrol speelt, vaak in samenwerking met universiteiten als MIT en Caltech. Het Zwitserse ID Quantique is een van de langst bestaande spelers op het gebied van kwantumcryptografie voor commerciële toepassingen.

China heeft via de University of Science and Technology of China (USTC) en het team van Jian-Wei Pan fors geïnvesteerd in satellietgebaseerde kwantumcommunicatie en geldt op dat vlak als koploper. In Europa is de onderzoeksgroep rond Anton Zeilinger in Wenen en Innsbruck (Oostenrijk) toonaangevend geweest voor fundamenteel verstrengelingsonderzoek.

Nederland speelt internationaal een prominente rol via QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en onderzoeksorganisatie TNO, dat onder meer werkt aan een kwantuminternet-demonstratienetwerk. De Europese Unie ondersteunt het veld met het miljardenprogramma EU Quantum Flagship, terwijl afzonderlijke landen, waaronder Nederland met de Nationale Agenda Kwantumtechnologie, eigen nationale strategieën en financiering hebben opgezet om niet achter te blijven bij de VS en China.