Destillatie. Niet van whisky, maar van zogeheten verstrengeling. Met die nieuwe truc uit de quantumtrukendoos zetten natuurkundigen van de TU Delft vorige week een nieuwe stap richting een onkraakbaar quantuminternet. Een internet dat binnen vijf jaar tussen vier grote Nederlandse steden moet ontstaan. 

Dankzij verstrengeling, een raadselachtig quantumverschijnsel, gaan twee deeltjes zich gedragen alsof ze één enkel quantumvoorwerp zijn. Beeld: QuTech.

Slecht nieuws voor luistervinken, spionnen en digitale voyeurs. Het quantuminternet, een netwerk dat op een onkraakbare manier informatie kan uitwisselen, komt er nu echt aan. Natuurkundigen van quantumcomputerinstituut QuTech aan de TU Delft beschreven vorige week samen met collega’s van de University of Oxford in het vakblad Science hoe je de daarvoor benodigde quantumverbinding voldoende kunt versterken.

Het toekomstige quantuminternet werkt namelijk op basis van verstrengeling, een maffe eigenschap van de quantumwereld die ervoor zorgt dat deeltjes hun eigenschappen op zo’n manier gaan delen dat je het ene deeltje nog onmogelijk los van het andere kunt zien. ‘Verstrengelde elektronen gedragen zich als het ware als één, ongeacht de afstand’, zegt natuurkundige Ronald Hanson, co-auteur van het Science-artikel en directeur van QuTech.

Spookachtig gedoe

Verstrengeling is een maf verschijnsel waar de beroemde fysicus Albert Einstein destijds niets van moest hebben. Spookachtig gedoe op afstand, noemde hij het misprijzend. Toch bewees Hanson samen met collega’s in 2015 met een ingenieus experiment dat verstrengeling echt bestaat.

Het handige van die verstrengeling is bovendien dat je het kunt gebruiken om informatie te verplaatsen – teleporteren noemen fysici dat. ‘De informatie bevindt zich als het ware op beide plekken tegelijk’, zegt Hanson. ‘Gevoelige informatie hoeft daardoor geen weg af te leggen.’ Met andere woorden: met behulp van verstrengeling kun je informatie van A naar B verplaatsen zonder dat het de tussenliggende route hoeft af te leggen. Daardoor kan het onderweg door niemand worden afgeluisterd. Luistervinken en internetspionnen vissen dan dus achter het net.

LEESTIP In De Quantumcomputer beschrijft New Scientist-redacteur George van Hal alles over de volgende grote digitale revolutie, waar fysici over de hele wereld nu naartoe werken. € 10,00 Bestel nu in onze webshop.

‘Een beetje’ verstrengeld

Met hun opstelling uit 2015 legden Hanson en collega’s voor dat onkraakbare quantuminternet al een stevige basis. Toch resteerde destijds nog een groot probleem. Dat probleem schuilt in het feit dat je, in tegenstelling tot bijvoorbeeld een zwangerschap, wel ‘een beetje’ verstrengeld kunt zijn. Fysici drukken de kracht van een verstrengeling uit in een percentage. Als een paar deeltjes voor 90 procent verstrengeld zijn, is de kans ook 90 procent dat zij hun informatie op spookachtige wijze uitwisselen. En 10 procent dat dat juist niet gebeurt en de deeltjes zich als gewone, saaie, niet-verstrengelde deeltjes gedragen. Wanneer dat percentage zakt, worden bepaalde zaken al snel lastig, waarbij de optie om informatie te teleporteren één van de eerste slachtoffers is.

Dat lossen de fysici nu op door middel van een handige tussenstap. Bij hun experimenten verstrengelen de fysici allereerst twee elektronen met elkaar. Dat doen ze door die elektronen een foton te laten uitwisselen – op die manier komen ze indirect met elkaar in aanraking. En zodra quantumdeeltjes bij elkaar komen, beginnen ze direct te verstrengelen, blijkt uit de dwingende wetten van de quantumfysica. Die elektronen zitten per stuk gevangen in een laagje diamant, dat op zijn beurt bestaat uit een rooster van koolstofatomen. In dat rooster was vooraf een putje gemaakt waar het elektron in paste.

Nieuwe truc

Tot zover is er niets nieuws: op deze manier maakten de fysici ook in 2015 al hun verstrengeling. De truc waarmee zij hun quantumrepertoire nu uitbreiden is dat zij in dit experiment ook de rest van het laagje diamant gebruiken. Ze konden daarom de quantuminformatie in het elektron tijdelijk opslaan in de kernspins van de daar omheen liggende koolstofatomen uit het diamantlaagje. Dat kan omdat je zowel elektronen als atoomkernen kunt gebruiken als qubits, de quantummechanische versie van de bit van klassieke informatie. Het enige dat je daarvoor nodig hebt is een deeltje dat twee toestanden bezit die je kunt gebruiken als de ‘0’ en ‘1’ van binaire informatie. De spins van elektronen en kernen kunnen ‘op’ en ‘neer’ zijn, zoals fysici dat noemen, en zijn daarom geschikt.

Daarom konden de fysici de kernspins van de koolstofatomen gebruiken als een soort quantumgeheugen. Omdat ze de quantuminformatie hadden opgeslagen, konden ze onderwijl de elektronen nog eens met elkaar verstrengelen. Daardoor ontstonden twee verbindingen tussen de elektronen in plaats van één. Door die op een slimme manier met elkaar te combineren, kunnen de fysici de afzonderlijk zwakkere verstrengelingen verstevigen. Daaruit ontstaat uiteindelijk één sterker verstrengelde verbinding. ‘Een beetje zoals whisky wordt gedestilleerd uit lager-alcoholische basisingrediënten’, zegt Hanson. In het Science-artikel laten Hanson en collega’s zien dat het inderdaad mogelijk is om de kernspins als geheugen te gebruiken, terwijl ondertussen nieuwe verstrengeling tussen de elektronen wordt gemaakt.

Engelstalige uitleg van het destillatieproces

Quantumnetwerk

Dezelfde techniek is niet alleen handig als verstrengelingsversterker. Je kunt hem ook gebruiken om ondertussen een verbinding te maken met een ánder elektron, in een nieuw knooppunt. Op die manier kun je van de in het experiment gebruikte opstelling een netwerk bouwen. ‘We kunnen dan het eerste echte quantumnetwerk gaan opzetten’, zegt Hanson. ‘Dan gaan we ook qua wetenschap een echt onbekend gebied in.’ Tot nog toe heeft nog niemand een dergelijk quantumnetwerk gebouwd of er experimenten mee gedaan.

Hanson en collega’s zijn van plan dat netwerk op korte termijn in Nederland te bouwen. ‘We willen de vier grote steden in Nederland verbinden in een rudimentair quantumnetwerk’, zegt Hanson. Daarbij kiest hij voor vier steden, en niet voor twee of drie, omdat vier het kleinste aantal knooppunten is in een niet-triviaal netwerkje. Er zitten dan immers altijd punten in het netwerk die je alleen via een ander knooppunt kunt bereiken. Het eerste echte quantumnetwerk is er naar planning uiterlijk in 2020.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees ook: