Er is een nieuw wereldrecord gezet voor quantumteleportatie. Hiermee zijn we een stap dichter bij quantumcommunicatienetwerken tussen steden. Twee onafhankelijke onderzoeksgroepen hebben quantuminformatie getransporteerd over een netwerk van meerdere kilometers glasvezelkabel.
Het mogelijk maken van teleportatie over lange afstanden is belangrijk voor het uitwisselen van quantumcryptografische sleutels die nodig zijn om quantumversleutelde informatie over grote afstanden te versturen.
Quantumteleportatie is een fenomeen waarbij een bepaalde eigenschap van een deeltje (de quantumtoestand) overgedragen kan worden naar een ander deeltje dat zich verderop bevindt. Hierbij wordt fysiek niets uitgewisseld. De teleportatie is gebaseerd op quantumverstrengeling. Hierbij legt je door het meten van de toestand van één deeltje direct de toestand van zijn verstrengelde partner vast, ongeacht hoe groot de afstand tussen de twee deeltjes is.
Het verwezenlijken van teleportatie kan op verschillende manieren. Eén manier maakt gebruik van drie deelnemers: Alice, Bob en Charlie. Als Alice en Bob een cryptografische sleutel willen uitwisselen moeten ze dit doen met behulp van Charlie.
Dit gaat als volgt: eerst stuurt Alice een deeltje (A) naar Charlie. Onderwijl maakt Bob een tweetal verstrengelde deeltjes (B & C) waarvan hij er één (B) naar Charlie stuurt en de andere (C) zelf houdt. Charlie ontvangt dus A en B. Hij meet vervolgens de deeltjes op zo’n manier dat het onmogelijk te achterhalen is welke van Alice kwam en welke van Bob. Dit heet een Bellmeting en het resulteert erin dat de quantumtoestand van deeltje A overgedragen wordt aan C, die bij Bob is. Deeltjes A en C zijn nu verstrengeld en hebben dus dezelfde quantumtoestand.
Steeds verder weg
In het eerste experiment met quantumteleportatie dat in 1997 uitgevoerd werd, bevonden Alice, Bob en Charlie zich op hetzelfde tafelblad in hetzelfde laboratorium. De afstand tussen hen was daarom maar enkele tientallen centimeters.
Als we de teleportatieafstand definiëren als de afstand tussen Bob en Charlie, dan was het quantumteleporatierecord tot voor kort een luttele 800 meter. Dit kwam doordat het doen van een Bellmeting lastig was met lichtdeeltjes die een lange afstand hadden afgelegd.
Het record voor de grootste afstand tussen Alice en Bob werd gezet in 2012. Toen overbrugde een onderzoeksgroep onder leiding van Anton Zeilinger van de universiteit van Wenen een afstand van 143 kilometer, de afstand tussen twee Canarische eilanden. Dit resultaat is echter lastig te herhalen in een stad, omdat vrije ruimte daar schaars is en obstakels de delicate quantumsignalen kunnen verstoren.
Nu hebben Wolfgang Tittel van de universiteit van Calgary en zijn collega’s de lat een stuk hoger gelegd. Ze hebben de afstand tussen Charlie en Bob vergroot. Hierbij maakten ze gebruik van een deel van het glasvezelnetwerk van Calgary dat niet gebruikt wordt voor normale communicatie.
‘De afstand tussen Charlie en Bob is de afstand die telt’, zegt Tittel. ‘We hebben aangetoond dat de teleportatie ook werkt in een 6,2 kilometer lang glasvezelnetwerk dat door een stad loopt.’
Jian-Wei Pan van de Universiteit van Wetenschap en Technologie in China en zijn collega’s behaalde een vergelijkbare afstand tussen Charlie en Bob toen ze quantumtoestanden teleporteerden via het glasvezelnetwerk van de stad Hefei. Hun opstelling was iets anders dan die van Tittel: Charlie maakte dit keer de verstrengelde deeltjes en stuurde er één naar Bob, in plaats van andersom.
Quantumrepeaters
De opstelling van Pan kan handig zijn bij het bouwen van een quantumnetwerk in een stad, waar meerder Alice -Charlie-Bob-groepjes moeten communiceren met een centrale quantumcomputer. De opstelling van Tittel’s onderzoeksgroep zou gebruikt kunnen worden om quantumcommunicatie tussen verschillende steden mogelijk te maken.
Dat kan omdat de opstelling van Tittel de mogelijkheid biedt om quantumrepeaters in te bouwen. Deze stuwen het signaal voort over het netwerk: stel dat Alice en Bob honderd kilometer van elkaar verwijderd zijn, waarbij Bob zich rechts van Alice bevindt. Vervolgens maakt Bob twee verstrengelde deeltjes en bewaart er één zelf en stuurt de andere naar Charlie, die zich precies in het midden tussen Alice en Bob bevindt. Charlie doet vervolgens een Bellmeting, waarmee hij de deeltjes die zich bij Alice en Bob bevinden verstrengeld.
Stel je nu voor dat Bob dit hele proces nog eens herhaalt, maar nu met Daisy, die zich honderd kilometer rechts van hem bevindt (en weer zit er een Charlie tussen hen in). Bob heeft nu twee deeltjes, eentje is verstrengeld met Alice en de andere met Daisy. Als Bob nu een Bellmeting uitvoert, verstrengelt hij indirect de deeltjes van Alice en Daisy. Hiermee heeft ervoor gezorgd dat de teleportatie over tweehonderd kilometer plaatsvindt.
‘Je kan het hele proces dus in theorie opschalen tot afstanden van willekeurige grootte’, zegt Tittel.
‘De twee experimenten zijn mijlpalen op de weg naar het grotere doel: het aanleggen van glasvezel-quantuminternetverbindingen in grote steden’, zegt Johannes Kofler van het Max-Planck-Institut für Quantenoptik in München.
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Lees ook: