Distillatie brengt quantum internet een stap dichterbij

Wetenschappers zijn wereldwijd aan het werk om een niet-af-te-luisteren internet te bouwen gebaseerd op verstrengeling – de onzichtbare quantum-fysisch band tussen deeltjes. Een grote uitdaging is dat deze verstrengeling bij elk nieuw knooppunt zwakker wordt. Wetenschappers uit Delft en Oxford zijn er nu in geslaagd om een sterke verstrengelingsverbinding te distilleren uit meerdere zwakkere verbindingen. Deze doorbraak maakt het op korte termijn mogelijk om voor het eerst rudimentaire quantumnetwerken te bouwen, en levert meteen een essentieel element voor een toekomstig quantum internet. De wetenschappers publiceren dit werk vandaag in het tijdschrift Science.

Spookachtig internet

Veilige communicatie is een van de grootste uitdagingen in dit digitale tijdperk. Over de hele wereld werken wetenschappers aan nieuwe methoden om écht veilige netwerken te realiseren: gebaseerd op de wetten van de quantummechanica. In zulke netwerken is het fundamenteel onmogelijk om ongemerkt afgeluisterd te worden, maar het maken van sterke verbindingen in deze netwerken, gebaseerd op het krachtige maar kwetsbare principe van quantum verstrengeling, is een grote uitdaging.

‘Verstrengelde elektronen gedragen zich als het ware als één, ongeacht de afstand. Op welke manier je ook naar de elektronen kijkt, ze hebben altijd gedeelde informatie,’ vertelt professor Ronald Hanson. Een meting op het ene deeltje, beïnvloedt instantaan een meting op het andere deeltje, zelfs wanneer ze lichtjaren van elkaar gescheiden worden. Einstein geloofde niet in dit fenomeen, maar een uitgekiend experiment in Delft in 2015 dat de wereldpers haalde maakten aan de laatste twijfels een einde. Wetenschappers zijn nu bezig om verstrengeling in te zetten voor radicaal nieuwe technologie. ‘De informatie bevindt zich als het ware op beide plekken tegelijkertijd en gevoelige informatie hoeft daardoor geen weg af te leggen’, licht Hanson toe, ‘we voorzien in de toekomst veilige netwerkverbindingen gebaseerd op verstrengeling: een quantum internet.’

Verstrengeling distilleren

De onderzoeksgroep van Ronald Hanson bij QuTech is beroemd door het realiseren van verbindingen gebaseerd op quantum verstrengeling. Met behulp van lichtdeeltjes zijn de wetenschappers in staat om de quantum informatie te verbinden over macroscopische afstanden: tot ruim een kilometer. Met een belangrijke test lieten de wetenschappers eerder de kracht van zo’n verbinding zien: verstrengeling is onzichtbaar voor een tussenpersoon: de informatie kan niet worden afgeluisterd.

Ronald Hanson: ‘Nu gaan we een belangrijke stap verder. Waar we eerst verstrengde informatie realiseerden tussen twee elektronen in twee diamanten, gebruiken we nu ook één van de aanwezige kernspins in iedere diamant om de verstrengelde informatie tijdelijk op te slaan.’ Terwijl de informatie veilig is opgeslagen, verstrengelen de wetenschappers de elektronen opnieuw. Hanson: ‘Nu zijn er twee verbindingen. Door deze op een slimme manier met elkaar te combineren, kunnen we uit die zwakkere verbindingen één sterkere verstrengelde verbinding halen, een beetje zoals whisky wordt gedistilleerd uit lager-alcoholische basisingrediënten.’ Deze distillatie van verstrengeling kan in principe steeds vaker herhaald worden totdat de verbinding de gewenste kracht heeft.

Verreikende mogelijkheden

Deze methode opent belangrijke deuren voor het quantum internet. Promovendus Norbert Kalb: ‘Om zo’n netwerk te realiseren hebben we alles nodig dat het huidige internet ook gebruikt: een geheugen, een processor en verbindingen. Nu laten we zien dat we de kernspins als geheugen kunnen gebruiken, zonder dat deze verstoord worden door nieuwe verbindingen tussen de elektronen, de processor.’

In deze publicatie hebben Hanson en zijn team laten zien dat de verstrengeling kan worden opgeslagen in kernspins, terwijl er opnieuw verstrengeling tussen elektronen wordt gerealiseerd. Hanson voorziet mogelijkheden: ‘Dat kan ook verstrengeling met een elektron in een nieuw knooppunt zijn. Op deze manier kunnen we verder gaan dan twee verbindingen en het eerste echte quantumnetwerk gaan opzetten. We gaan dan ook qua wetenschap echt onbekend gebied in.’ Deze distillatie van verstrengeling is essentieel voor de toekomst van het quantum internet: waarin vele quantum verbindingen bestaan, die ook nog eens van hoge kwaliteit moeten zijn. Volgens Hanson is die toekomst niet ver weg: ‘binnen vijf jaar willen we vier grote steden in Nederland verbinden in een rudimentair quantum netwerk.’

Entanglement Distillation between Solid-State Quantum Network Nodes

N. Kalb,^{1, 2,*} A. A. Reiserer,^{1, 2,*} P. C. Humphreys,^{1, 2, *} J. J. W. Bakermans,^{1, 2} S. J. Kamerling,^{1, 2} N. H. Nickerson,³ S. C. Benjamin,⁴ D. J. Twitchen,⁵ M. Markham,⁵ and R. Hanson<sup>1, 2 

*</sup>Equal author contribution
¹QuTech, Delft University of Technology, P. O. Box 5046, 2600 GA Delft, The Netherlands
²Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology, P. O. Box 5046, 2600 GA Delft, The Netherlands
³Department of Physics, Imperial College London, Prince Consort Road, London SW7 2AZ, U.K.
⁴Department of Materials, University of Oxford, Parks Road, Oxford OX1 3PH, U.K.
⁵Element Six Innovation, Fermi Avenue, Harwell Oxford, Didcot, Oxfordshire OX11 0QE, U.K.

Meer informatie