Onderzoekers die een veilige quantumversie van het internet willen maken, hebben een apparaat nodig dat nog niet bestaat, de zogeheten quantumrepeater. Nu zeggen twee teams dat ze goed op weg zijn om deze te bouwen.
De totstandkoming van een wereldwijd quantuminternet is weer een stap verder dankzij twee ontwikkelingen op het gebied van quantuminformatieopslag. Dit zou het op een dag mogelijk kunnen maken om veilig over een afstand van duizenden kilometers te communiceren.
Qubits kopiëren
Het huidige internet verzendt informatie in de vorm van digitale bits, 0’en en 1’en, die zijn opgeslagen als elektrische of optische signalen. Een quantuminternet, dat onhackbare berichten zou kunnen versturen en quantumcomputers met elkaar kan verbinden, zou in plaats daarvan quantumbits gebruiken.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Quantumbits vertrouwen op een quantumeigenschap die verstrengeling wordt genoemd. Bij dit fenomeen kunnen deeltjes aan elkaar gekoppeld worden. Het meten van het ene deeltje zorgt ervoor dat de toestand van het verstrengelde deeltje direct verandert, ongeacht hoe ver de deeltjes van elkaar verwijderd zijn.
Om deze verstrengelde quantumbits, of qubits, over zeer lange afstanden te versturen, is een zogeheten quantumrepeater nodig. Dit is een stukje hardware dat de verstrengelde toestand in het geheugen kan opslaan en reproduceren om vervolgens verder te versturen. Quantumrepeaters zouden op verschillende punten in een langeafstandsnetwerk geplaatst moeten worden om ervoor te zorgen dat een signaal van A naar B reist zonder te vervallen.
Quantumrepeaters bestaan nog niet, maar twee groepen onderzoekers hebben nu een langdurig verstrengelingsgeheugen aangetoond in quantumnetwerken over tientallen kilometers. En dat is een van de belangrijkste eigenschappen die nodig zijn voor zo’n apparaat.
Doorsturende diamant
Quantumfysicus Can Knaut van de Harvard-universiteit en zijn collega’s hebben een quantumnetwerk opgezet dat bestaat uit twee knooppunten. Deze punten zijn van elkaar gescheiden door een lus van optische vezels van 35 kilometer lang, die door de stad Boston loopt. Elk knooppunt bevat zowel een communicatie-qubit, die wordt gebruikt om informatie te verzenden, als een geheugen-qubit, die de quantumtoestand maximaal een seconde kan opslaan. ‘Ons experiment heeft ons echt in een positie gebracht waarin we heel dicht bij een demonstratie van een quantumrepeater komen’, zegt Knaut. De groep publiceerde het werk in het wetenschappelijk tijdschrift Nature.
Om de verbinding op te zetten, verstrengelden Knaut en zijn team hun eerste knooppunt, dat een soort diamant bevat met een gat ter grootte van een atoom, met een lichtdeeltje, ofwel een foton. Dit foton stuurden ze naar hun tweede knooppunt, dat een soortgelijke diamant bevat. Wanneer het foton bij de tweede diamant aankwam, raakte het verstrengeld met beide knooppunten.
De diamanten waren in staat om de toestand een seconde lang te bewaren. ‘Een volledig functionerende quantumrepeater die gebruikmaakt van vergelijkbare technologie zou in de komende jaren gedemonstreerd kunnen worden, waardoor quantumnetwerken die steden of landen met elkaar verbinden dichterbij komen’, zegt Knaut.
Rubidium-repeaters
In een ander onderzoek, ook beschreven in Nature, verstrengelden quantumfysicus Xiao-Hui Bao van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China en zijn collega’s drie knooppunten met elkaar. Die lagen ongeveer 10 kilometer uit elkaar, in de stad Hefei.
De onderzoekers gebruikten supergekoelde wolken van honderden miljoenen rubidiumatomen om verstrengelde fotonen te genereren, die ze vervolgens over de drie knooppunten verstuurden. De middelste van de drie knooppunten was in staat om deze fotonen te coördineren om de atoomwolken met elkaar te verbinden. Dit werkte als een soort geheugen.
De belangrijkste stap voor het netwerk van Bao en zijn team is het afstemmen van de frequentie van de fotonen die bij het centrale knooppunt samenkomen. Dit zal cruciaal zijn voor quantumrepeaters die verschillende knooppunten met elkaar moeten verbinden. Hoewel de opslagtijd met 100 microseconden veel minder lang was dan die van het team van Knaut, is het nog steeds lang genoeg om nuttige bewerkingen uit te voeren op de verzonden informatie.
Quantumnet met veel gebruikers
Deze demonstraties van quantumverstrengeling-geheugen zijn een grote prestatie vergeleken met waar quantuminternettechnologieën tien jaar geleden stonden, zegt quantumfysicus Mohsen Razavi van de Universiteit van Leeds uit het Verenigd Koninkrijk. Een volledig functioneel netwerk met quantumrepeaters zal echter hogere snelheden voor het verstrengelen nodig hebben, zegt hij.
‘Dit wijst in de richting van een zeer schaalbaar quantuminternet met een groot aantal gebruikers’, zegt quantumfysicus Alex Clark van de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk. ‘De huidige verstrengelingssnelheden zijn erg langzaam en worden beperkt door verschillende efficiëntieverliezen in de systemen. Er is dus veel quantum- en klassieke netwerktechniek nodig om deze verliezen te verminderen en de efficiëntie te verhogen.’
