Delftse onderzoekers realiseren quantumnetwerk op basis van verstrengeling

Een team van onderzoekers van QuTech in Delft heeft het eerste quantumnetwerk gebouwd dat drie quantumprocessors met elkaar verbindt. Bovendien hebben ze in een proof-of-principle demonstratie twee essentiële quantumnetwerk-protocollen uitgevoerd. Hun resultaten zijn een belangrijke stap op weg naar het toekomstige quantum internet en zijn nu gepubliceerd in Science.

Dankzij het Internet kunnen computers, van waar ook op aarde, met elkaar verbonden worden. Er zijn vele toepassingen uit voortgekomen die ten tijde van het ontstaat van het internet, enkele decennia geleden, nog volstrekt ondenkbaar waren. Op dit moment werken onderzoekers overal ter wereld aan de eerste implementaties van het quantum internet – een netwerk dat quantumapparaten, zoals quantumcomputers en sensoren, met elkaar verbindt. Waar de informatie op het huidige Internet in bits wordt verzonden (die de waarde 0 of 1 kunnen hebben), zal het toekomstige quantum internet gebruik maken van quantum bits die tegelijk 0 en 1 kunnen zijn. “Een quantum internet maakt een scala aan nieuwe toepassingen mogelijk, van onkraakbare communicatie en cloud computing met volledige privacy van gebruikers tot uiterst nauwkeurige tijdregistratie,” zegt Matteo Pompili, promovendus en lid van het onderzoeksteam. “En waarschijnlijk zijn er legio toepassingen die we nu nog niet voorzien, net als met het Internet veertig jaar geleden.”

Naar een wereldwijd netwerk
In het afgelopen decennium zijn de eerste stappen op weg naar een quantum internet gezet door twee quantumapparaten middels een directe fysieke link met elkaar te verbinden. Om tot een schaalbaar quantumnetwerk te komen is het echter essentieel om quantum-informatie via tussenliggende knooppunten te kunnen doorgeven – analoog aan hoe routers dat in het klassieke Internet doen. Bovendien vereisen de meest veelbelovende quantum internet toepassingen dat verstrengelde quantum bits over meerdere knooppunten kunnen worden gedistribueerd. Verstrengeling is een fenomeen dat zich op de kwantumschaal voordoet en waarmee deeltjes op een fundamentele manier met elkaar verbonden zijn, over kleine en grote afstanden. Het geeft quantumcomputers hun ongekende rekenkracht en is het fundamentele bestanddeel voor het delen van quantum-informatie over het toekomstige quantum internet. Met het realiseren van hun quantumnetwerk in het lab is het team van QuTech – een samenwerking tussen Technische Universiteit Delft en TNO – er als eerste in geslaagd om twee quantumprocessors via een tussenliggend knooppunt met elkaar te verbinden, en tevens om gedeelde verstrengeling tot stand te brengen over meerdere onafhankelijke quantumprocessoren.

Hoe werkt het quantumnetwerk?
Het rudimentaire quantumnetwerk bestaat uit drie knooppunten, op enige afstand van elkaar in hetzelfde gebouw. De onderzoekers hebben een nieuwe architectuur ontworpen waarmee het mogelijk is om op te schalen tot een echt quantumnetwerk, bestaande uit meerdere connecties. Het middelste knooppunt (genaamd Bob) heeft een fysieke verbinding met de twee buitenste knooppunten (genaamd Alice en Charlie) zodat met elk van deze knooppunten een verstrengelde verbinding kan worden aangegaan. Bob beschikt bovendien over een extra quantum bit dat als geheugen dient, voor opslag van een reeds tot stand gekomen quantumverbinding terwijl een volgende verbinding wordt opgezet. Nadat beide quantumverbindingen (Alice-Bob en Bob-Charlie) tot stand zijn gekomen, zet Bob deze met een reeks quantumbewerkingen om in een quantumverbinding Alice-Charlie. Met het uitvoeren van een alternatieve set quantumbewerkingen ontstaat er gedeelde verstrengeling tussen alle drie de knooppunten.

Klaar voor verder gebruik
Een belangrijke eigenschap van het netwerk is dat het met een ‘vlag’-signaal aankondigt wanneer deze – van nature probabilistische – protocollen succesvol zijn uitgevoerd. Een dergelijke aankondiging is cruciaal omdat zulke protocollen in het toekomstige, schaalbare quantum internet in opeenvolging zullen moeten worden uitgevoerd. “Eenmaal tot stand gebracht, konden we de verstrengelde verbinding behouden en tegen ruis beschermen,” zegt Sophie Hermans, eveneens lid van het onderzoeksteam. ‘Dit betekent dat we deze quantumtoestand in principe kunnen gebruiken om cryptografische sleutels te verdelen, een quantumberekening uit te voeren of enig ander quantumprotocol uit te voeren.”

Quantum Internet Demonstrator
Met dit eerste op verstrengeling gebaseerde quantumnetwerk beschikken de onderzoekers over een unieke testfaciliteit voor het ontwikkelen en testen van hardware, software en protocollen voor het quantum internet. “Het toekomstige quantum internet zal uit talloze quantumapparaten en tussenliggende knooppunten bestaan,” zegt Ronald Hanson, leider van het onderzoeksteam. “Collega’s bij QuTech bestuderen op dit moment al de toekomstige compatibiliteit met de bestaande data-infrastructuur.” De huidige proof-of-principle implementatie zal te zijner tijd buiten het laboratorium getest worden, op bestaande glasvezel voor telecommunicatie – namelijk op QuTech’s Quantum Internet Demonstrator. De eerste grootstedelijke verbinding hiervan zal volgens planning in 2022 voltooid zijn.

Hogere lagen
In het lab richten de onderzoekers zich voor nu op het toevoegen van meer quantum bits aan hun drie-knooppunten netwerk en op het toevoegen van hogere software- en hardwarelagen. Pompili: “Zodra deze aansturings- en interfacelagen zijn ontwikkeld, kan iedereen een toepassing voor het quantumnetwerk ontwikkelen en uitvoeren zonder dat ze hoeven te begrijpen hoe lasers of cryostaten werken. Dat is ons einddoel.”