ESA werkt aan quantum-communicatie

Een team van Europese onderzoekers bewijst in een ESA-studie dat het merkwaardige quantum-effect dat ‘entanglement’ (verstrengeling ) wordt genoemd, intact blijft over een afstand van 144 kilometer.  Door het experiment is ESA een stap verder gekomen in het onderzoek naar het gebruik van verstrengeling voor totaal veilige communicatie met satellieten.

Quantum-verstrengeling is een van de vele niet-intuïtieve eigenschappen van de quantummechanica. Als twee fotonen op een bepaalde manier interactie hebben, kunnen zij verstrengeld raken. Het is zelfs mogelijk om paren verstrengelde fotonen te creëren met behulp van een niet-lineair proces dat SPDC wordt genoemd (Spontaneaous Parametric Down Connversion).
De twee vertrengelde fotonen kunnen vervolgens weer worden gescheiden, maar zodra één van beide interactie heeft met een derde deeltje, verandert onmiddelijk de quantumtoestand van het andere foton van het paar. Dit gebeurt in overeenstemming met de random uitkomst van de interactie, ook al had deze foton zelf geen interactie met een derde deeltje.

Dit gedrag maakt het mogelijk om absoluut confidentieel boodschappen uit te wisselen. Want als het bericht wordt afgeluisterd, verandert door de detectie van de fotonen direct ook de toestand van de verstrengelde partner. Deze veranderingen worden geconstateerd door de rechtmatige ontvanger, en het afluisteren wordt onmiddelijk gedetecteerd.

Een quantum-communicatiesysteem zou van grote waarde zijn voor bijvoorbeeld het verzenden van bank-informatie, militaire communicatie en zelfs de distributie van films – zonder angst voor piraterij. Hoewel het verschijnsel verstrengeling al lang bekend is, wist tot nu toe niemand of het verschijnsel ook op grotere afstand zou werken. Zou bijvoorbeeld een bundel verstrengelde elektronen nog verstrengeld blijven als hij de dampkring zou passeren? Tijdens deze reis kunnen de fotonen reageren met atomen en moleculen in de lucht – zou dit de verstrengeling teniet doen? Als dat zo is, kan verstrengeling niet worden gebruikt voor satellietcommunicatie, want alle signalen bewegen zich door de atmosfeer.

Een Oostenrijks/Duits team heeft nu aangetoond dat fotonen verstrengeld blijven over een afstand van 144 km door de atmosfeer. In 2005 richtte het team de een-meter telescoop van ESA op Tenerife (foto) op het Roque de los Muchachos Observatory op het naastgelegen eiland La Palma – 144 km verderop. Op La Palma genereerde een speciaal gebouwde quatumoptische terminal verstrengelde fotonparen, met behulp van het  SPDC-proces. Vervolgens stuurden ze één foton naar Tenerife – de andere hielden ze zelf, ter vergelijking. Bij vergelijking van de resultaten van Tenerife en LA Palma bleek overduidelijk dat de verstrengeling gahandhaafd bleef.

In 2006 zijn additionele proeven gedaan met een quatumcommunicatiebron die zwakke laserpulsen genereerde in plaats van verstrengelde fotonenparen. Zwakke laserpulsbronnen emuleren fotonbronnen door het optisch vermogen van de standaard laser te verzwakken tot ‘single photon’ niveau. Technisch gezien is dat een stuk makkelijker dan het genereren van verstrengelde fotonen. De prijs die je daarvoor betaalt is dat er toch een mogelijkheid ontstaat van het weglekken van informaatie, omdat het niet absoluut zeker is dat er niet meer dan één foton per puls aanwezig is. In de praktijk beperkt dat de maximum afstand voor veilige transmissie.

Het team onderzek nu de mogelijkheden om het experiment in de ruimte uit te voeren. "Daar kunnen we verstrengelin testen over afstanden van meer dan 1000 km. Dat is op aarde niet mogelijk en zo kunnen we de validiteit van de quatumfysica-theorie beproeven op macroschaal, zegt Joseph Perdigues, onderzoeksleider bij ESA.  Er wordt gekeken of de experimenten kunnen worden uitgevoerd vanaf het International Space Station of met speciale satellieten.

Foto: De optische module van de Single Photon Transmitter. De quantumoptische terminal weegt ongeveer 100 kg en pas in een doos van 1 kubieke meter.