Minder dan een jaar nadat ze de enige quantumcommunicatiesatelliet ter wereld lanceerden, hebben Chinese onderzoekers voor het eerst verstrengelde fotonen vanuit de ruimte naar de aarde gestuurd.
‘Dit is de eerste stap naar wereldwijde veilige quantumcommunicatie – en mogelijk zelfs een quantuminternet’, zegt Anton Zeilinger, die als quantumfysicus verbonden is aan de universiteit van Wenen.
Een van de bouwstenen van een veilig quantumnetwerk is het kunnen uitwisselen van verstrengelde fotonen. Wanneer een paar fotonen verstrengeld zijn, heeft een meting aan een van de fotonen instantaan invloed op de toestand van het andere foton – ongeacht de afstand tussen beide.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Cryptografie
Om een cryptografische sleutel te maken moeten twee mensen – laten we ze Alice en Bob noemen – de uitkomsten gebruiken van een serie metingen aan paren verstrengelde fotonen. Die sleutel kan vervolgens worden gebruikt om berichten te versleutelen die je over een regulier kanaal verstuurt. Het duo merkt het bovendien direct wanneer een luistervink probeert de gegevens te achterhalen. De meting die deze luistervink daarvoor moet uitvoeren op het fotonenpaar vernietigt namelijk direct de quantumverstrengeling.
Vorig jaar vestigden Chinese onderzoekers al een record voor de grootste afstand tussen Alice en Bob. Ze wisselden toen verstrengelde fotonen uit over een afstand van 404 kilometer. Daarvoor gebruikten ze een niet-commerciële optische vezel van hoge kwaliteit.
Verstrengeld licht
Nu is het de onderzoekers gelukt om verstrengeling te bewaren over fotonenparen die zij verstuurden vanaf de Chinese satelliet Micius naar grondstations die zo’n 1203 kilometer verderop stonden. Daarmee vestigden zij direct een nieuw record.
‘Het heeft ons zo’n veertien jaar gekost om dit voor elkaar te krijgen’, zegt Jian-Wei Pan van de Chinese universiteit voor wetenschap en technologie in Hefei.
Daarvoor moesten ze eerst zorgen dan hun bron met verstrengelde fotonen de lancering overleefden en dat de verstrengeling niet zou worden verbroken tijdens de grofweg tien kilometer lange reis door de dikke, turbulente lagere aardatmosfeer. De onderzoekers bewezen eerst op de grond dat hun techniek werkte. Daarmee toonden ze onder meer aan dat het mogelijk was om de fotonen met kleine telescopen te focusseren, zodat ze verre ontvangers konden bereiken. Vervolgens lanceerde China in augustus 2016 de Micius-satelliet tot op een hoogte van ongeveer 500 kilometer. De satelliet legt elke nacht hetzelfde pad boven China af.
Adaptieve optica
De volgende uitdaging was voor de grondstations. Die moesten de snelle satelliet continu volgen en een optische verbinding openen die het mogelijk maakt om de verstrengelde fotonen te ontvangen. Drie optische telescopen mikten elke nacht op de satelliet: eentje in Delingha in Tibet, eentje in Lijang en eentje in Nanshan, in noord-west-China.
De grondstations gebruikten adaptieve optica, technologie waarmee je de turbulentie in de aardatmosfeer realtime in kaart kunt brengen. Die optica de wazigheid in het beeld ongedaan maakt die wordt veroorzaakt door dergelijke turbulentie. Daarnaast gebruikten ze technologie die maanlicht en lichtvervuiling afkomstig van de steden wegfiltert. Zo verminderden ze de ruis in de optische verbinding met de satelliet.
Twee verbindingen
Voor iedere keer dat de satelliet over China trok – wat elke nacht ongeveer 275 seconden lang gebeurde – moest het tegelijk twee verbindingen aanleggen, ófwel tussen Delingha en Lijiang (1203 kilometer), ófwel tussen Delingha en Nanshan (1120 kilometer).
Als we optische kabels zouden gebruiken om verstrengelde fotonenparen te distribueren over het oppervlak van de aarde over een afstand van 1200 kilometer, dan zou het huidig verlies in signaalsterkte betekenen dat we slechts één paar per seconde kunnen versturen. De Chinese satelliet maakt daaraan nu echter een einde. ‘We hebben de efficiëntie van de verdeling al met ordegrootte 12 verbeterd ten opzichte van oudere technologie’, zegt Pan.
En dan nu bij daglicht
Zeiliger is onder de indruk. ‘Dit is een heel belangrijke prestatie’, zegt hij. ‘Het bewijst dat China deze technologie echt meester is, vooral de technologie om een satelliet optisch te kunnen volgen en de verbindingen naar het aardoppervlak te leggen.’
De volgende stap nu is om het systeem ook overdag aan de praat te krijgen, Pan zegt dat. Dan is er veel meer lichtvervuiling van de zon, iets dat ertoe kan leiden dat de verstrengeling tussen de fotonen verloren gaat. Bovendien willen Pan en collega’s de satellieten in hogere banen sturen, zodat ze gedurende langere tijd zichtbaar zijn vanaf aarde. ‘Dan is het pas echt een nuttig systeem voor veilige quantumcommunicatie’, zegt Pan.
Het team onderzocht tegelijk ook de fundamenten onder de quantumfysica. Einstein stelde ooit dat de quantumfysica, omdat het verstrengeling toeliet, wel een incomplete theorie moest zijn. Hij stelde dat er wel een onderliggende werkelijkheid moest zijn die zulke gekkigheid verklaart. Net als de experimenten van de Nederlandse fysicus Ronald Hanson eerder al deden, bewezen de resultaten van de Chinezen dat tussen de grondstations en de satelliet echt quantumverstrengeling bestond. Einsteins ideeën van verstopte werkelijkheden bieden daarvoor niet langer een verklaring.
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees ook:
- Natuurkundig trucje brengt onkraakbaar quantuminternet stap dichterbij
- Quantumverstrengeling verwijst bezwaren Einstein naar de prullenbak
- Ronald Hanson bewijst quantumverstrengeling
- Verstrengelde fotonen voegen nieuwe onzekerheid toe aan quantummechanica
- Delftse fysici bouwen zelfcorrigerend onderdeel quantumcomputer
- 5 vragen over quantumcomputers
- Lees alles over quantumcomputers in ons dossier