We hebben er een nieuwe methode bij om quantumcomputers met elkaar te laten praten. Mooi meegenomen is dat dit ‘modem’ geïntegreerd kan worden in de bestaande glasvezelnetwerken.
Spionnen, afluisteraars en informatiekapers opgelet: het quantuminternet – een netwerk dat veilig informatie kan uitwisselen – komt steeds dichterbij. Het onderzoeksteam Quantum Networks van het Max Planck-instituut voor quantumoptica bedacht een nieuwe methode om quantumcomputers met elkaar te laten communiceren. Dit is een belangrijke en lastige stap binnen de quantumrevolutie.
Indringerproof
De huidige pandemie herinnert ons eraan hoe belangrijk betrouwbaar en veilig internet is in ons dagelijks leven. Het quantuminternet biedt, door een aantal bizarre eigenschappen uit de quantummechanica, veel kansen in dat opzicht.
Zo hoef je bijvoorbeeld niet bang te zijn voor indringers die stiekem informatie aftappen. Wanneer een indringer informatie kaapt van een qubit – het soort bit waar een quantumcomputer mee rekent – raakt het systeem verstoord. Zo wordt de indringer gelijk opgemerkt.
Daarnaast maken de wetten van de quantumfysica verstrengeling tussen de verschillende qubits mogelijk. Dat houdt in dat de qubits, ongeacht de onderlinge afstand, met elkaar verbonden zijn, zodat ze zich gedragen als één object. Dankzij deze eigenschap kan informatie – zodra die eenmaal verstrengeld is – ‘teleporteren’ van A naar B. Hiermee voorkom je dat je informatie verliest, wat wel gebeurt wanneer die een afstand zou afleggen van A naar B .
Heilige graal
Het quantuminternet klinkt dus veelbelovend, maar de ontwikkeling ervan staat nog in de kinderschoenen. Er is bijvoorbeeld eerst een interface nodig die de uiterst gevoelige quantuminformatie over lange afstanden kan verspreiden over verschillende quantumcomputers en die verstrengeling mogelijk te maken – een soort quantummodem.
‘Technisch gezien is dat enorm lastig’, zegt Ronald Hanson, hoogleraar quantumfysica aan de Technische Universiteit Delft en hoofdonderzoeker aan het onderzoekscentrum QuTech. ‘Om langeafstandscommunicatie tussen computers mogelijk te maken, moeten we de informatie versterken. Bij klassieke computers wordt die hiervoor als het ware gekopieerd. Maar voor quantuminformatie is dat fundamenteel onmogelijk. Wanneer je iets kopieert, doe je een meting en dan gaat volgens de wetten van de quantummechanica de informatie verloren.’
‘Een efficiënt quantummodem – dat zo min mogelijk last heeft van die afstanden – is een soort heilige graal binnen het quantuminternet’, zegt Hanson. ‘Onderzoeksgroepen over de hele wereld bieden tegen elkaar op met steeds sterkere modellen.’
Huiskamerfeestje
De onderzoeksgroep rondom promovendus Benjamin Merkel is er daar een van. Zij zetten recent een aantal stappen vooruit in de ontwikkeling van een nieuw soort quantummodem.
Ze ontdekten dat het erbiumatoom heel geschikt is om informatie te versturen en ontvangen, en daar berekeningen mee doen – als een soort harde schijf. Quantuminformatie wordt meestal verspreid via lichtdeeltjes. In het modem heb je qubits nodig die de informatie verwerken. Die qubits moeten nauwkeurig afgestemd zijn op de golflengte van de lichtdeeltjes en dit bleek bijzonder goed te werken met erbium. Er was alleen één probleem: erbium is niet zo ‘sociaal’. Dat wil zeggen: deze atomen communiceren nauwelijks met de lichtdeeltjes.
Maar ook hier vonden de onderzoekers een oplossing voor. Ze optimaliseerden de ruimte waarin de erbiumqubits zich bevinden, zodat ze zo lang en zo veel mogelijk met de lichtdeeltjes in contact zijn.
‘Je kunt het vergelijken een feestje waarin tien gasten met elkaar moeten praten’, zegt Andreas Reiserer, natuurkundige en hoofd van de onderzoeksgroep, in een persbericht. ‘De grootte van de ruimte is hierbij cruciaal. In een voetbalstadion zouden de gasten verdwalen, een telefooncel zou te klein zijn, maar een huiskamer zou prima voldoen.’
De muren van hun ‘huiskamer’ maakten ze van spiegels. Hierdoor worden de lichtdeeltjes als pingpongballen heen en weer gereflecteerd, zodat ze de erbiumatomen vaak passeren. Die spiegels zijn enigszins doorlatend. Zo blijft het modem wel toegankelijk voor de deeltjes.
Bestaande glasvezelnetwerken
‘Wereldwijd worden er verschillende quantummodems onderzocht die allemaal zo hun voor- en nadelen hebben’, zegt Hanson. ‘Een van voordelen van dit modem is dat het eventueel geïntegreerd kan worden in bestaande glasvezelnetwerken. De golflengte van het licht komt overeen met die van fibers die al in de grond liggen.’
‘De onderzoekers zijn echter nog niet zover dat dit modem ook daadwerkelijk kan worden ingezet’, gaat Hanson verder. ‘Maar we hebben er nu zeker een sterke, veelbelovende kandidaat bij. Op termijn gaan er quantummodems komen; daar ben ik van overtuigd. Maar welke het precies wordt, is nog een verrassing.’
