Nederlandse natuurkundigen hebben een rudimentaire quantumverbinding weten te leggen tussen Delft en Den Haag. Deze verbinding tussen twee kleine quantumcomputers buiten het lab is een eerste stap naar een werkend quantuminternet.
Een internationaal onderzoeksteam, onder leiding van natuurkundige Ronald Hanson van de TU Delft, heeft een quantumverbinding aangelegd via 25 kilometer aan glasvezel tussen Delft en Den Haag. Het is de eerste keer dat quantumcomputers in verschillende steden met elkaar verbonden zijn. De onderzoekers publiceerden hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances.
De interstedelijke verbinding is een eerste stap richting een werkend quantuminternet. Voor hun verbinding maakten de onderzoekers gebruik van het glasvezelnetwerk van KPN, wat al in de grond lag. Voor een toekomstig quantuminternet hoeft dus geen nieuw kabelnetwerk neergelegd te worden.
Dit is hoe we wiskundefobie te lijf kunnen gaan
Sarah Hart vertelt hoe we de angst voor getallen en formules weg kunnen nemen.
Niet spieken
Wat maakt het quantuminternet zo begeerd? Waar huidige computers rekenen met bits, die een waarde van 0 of 1 aannemen, maken quantumcomputer gebruik van zogeheten qubits. Qubits hebben de speciale quantumeigenschap dat ze niet enkel 0 of 1, maar ook tegelijkertijd 0 en 1 kunnen zijn. Dat levert een hogere rekenkracht op voor bepaalde complexe problemen die huidige computers niet aankunnen.
Maar quantumcomputers kunnen niet werken met het huidige internet. Gedeelde informatie op het internet wordt namelijk voortdurend uitgelezen en gekopieerd, waardoor het signaal lange afstanden kan overbruggen. Maar lees je een qubit uit, dan veranderen de 0 én 1 weer in een 0 óf 1. En dan blijft er van de quantum-informatie weinig over.
Het delen van informatie tussen quantumcomputers heeft daarom een ander soort internet nodig. Daarvoor maken onderzoekers gebruik van een andere quantumeigenschap: verstrengeling. Als qubits met elkaar verstrengelen, delen ze een verbinding met elkaar over onbegrensde afstanden. Meet je het ene qubit op plek A, dan heeft dit ogenblikkelijk invloed op de ander op plek B, ook als ze bij wijze van spreken door een oceaan gescheiden zijn.
Omdat verstrengelde qubits hun verbinding verliezen als je ze eenmaal uitleest, kan je een quantumverbinding niet afluisteren. Zo zet het internethackers automatisch buiten spel.
Daarbij neemt de reusachtige rekenkracht van quantumcomputers exponentieel toe als je ze met elkaar verbindt. Dat wil zeggen dat de gedeelde rekenkracht van twee verbonden quantumcomputers vele malen krachtiger is dan de som van hun individuele rekenvermogen.
Buiten het lab
Vanwege deze voordelen racen natuurkundigen wereldwijd naar een quantumverbinding op stedelijke schaal. Deze stap is dit jaar door drie verschillende groepen gezet: een uit China, een uit de VS, en de groep uit Delft. De Chinezen en Amerikanen waren net iets eerder met hun publicaties, maar hun resultaten verschillen met wat Hanson en zijn groep heeft bereikt.
Zo verstrengelden de Chinezen een soort quantumgeheugens, maar nog geen quantumcomputers. Dat deden de Amerikanen dan weer wel, maar zij gebruikten een 35 kilometer lange verbinding onder Boston die begon en eindigde in hetzelfde gebouw. Door de hemelsbreed kortere afstand tussen beide quantumcomputers konden de Amerikanen gedeelde hardware gebruiken om beide computers op elkaar af te stemmen, waardoor deze niet geheel onafhankelijk van elkaar fungeerden.
‘De uitdaging zit juist in het opschalen van het systeem om dit buiten een lab of campus te trekken’, zegt natuurkundige Kian van der Enden van de TU Delft. ‘Wij hebben technieken ontwikkeld waardoor we onze twee quantumcomputers als geheel onafhankelijke eenheden met elkaar kunnen verbinden. In feite zaten onze computers in twee grote, ingewikkelde ‘dozen’, die we met een vrachtwagen konden vervoeren. Zo lukte het ons om een quantumverbinding tussen Delft en Den Haag te maken, met een hulpstation in Rijswijk als tussenschakel.’
Reis naar Rijswijk
Voor het maken van de quantumverbinding verstrengelden de onderzoekers eerst een individueel lichtdeeltje, een foton, met de quantumcomputer in Delft en een ander met die in Den Haag. Vervolgens reisden deze fotonen via de glasvezel vanuit elke stad naar het tussenstation in Rijswijk. Daar aangekomen interfereerden de fotonen met elkaar, een soort van versmelten, en werd de aanwezigheid van zo’n foton gemeten, waardoor qubits in de gescheiden steden ook met elkaar verstrengeld raakten. Dat betekent dat de computers, wanneer hun qubits verstrengeld waren, met elkaar verbonden zijn: een quantumverbinding.
Een van de grootste uitdagingen hierbij was om te voorkomen dat het signaal tijdens de reis in de glasvezel verloren ging. De gebruikte quantumcomputers zonden namelijk verstrengelde fotonen uit die rood waren. Die lichtfrequentie heeft hoge verliezen in glasvezel. En hoe groter de afstand die een foton door glasvezel moet reizen, hoe groter de kans dat het door de kabel geabsorbeerd zal worden. ‘Stel dat je een rood foton 10 kilometer wil laten overbruggen, dan blijft er van dat signaal aan het eind niets over’, zegt Van der Enden. ‘De frequenties die het huidige internet gebruikt zijn in het diep-infrarood, ook wel telecom-frequenties geheten, en hebben veel minder verlies. Wij hebben daarom een opstelling gebouwd die de rode fotonen omzette naar deze telecom-frequentie, terwijl de verstrengeling behouden bleef.’
Open speelveld
Dit is nog geen definitief quantuminternet. De huidige opstelling legt slechts een verbinding tussen twee knooppunten. Om een groter aantal knooppunten met elkaar te verbinden, is het nodig om de verstrengeling langer vast te houden, en dat vereist nieuwe hardware die nu in Delft in ontwikkeling is.
En wat als het quantuminternet er eenmaal is? Los van dat het niet af te luisteren valt en ongekende rekenkracht biedt, ziet Van der Enden nog andere mogelijkheden: ‘Toen het internet ontstond, wisten we ook nog niet wat daar allemaal mee zou gaan gebeuren. Maar daar zijn hele industrieën uit ontstaan. Zo durf ik er ook wel naar te kijken: ongeacht wat je er straks mee kan doen, moet iemand eerst even beginstappen zetten om die techniek te maken. Zo openen we het speelveld, en daarna kunnen we weer verder leren. Met het verbinden van quantumcomputers komen we ook sneller bij het nuttig maken van quantumcomputers.’
