Een rudimentaire kwantum-netwerkverbinding tussen Nederlandse steden (video)

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van QuTech heeft een netwerkverbinding gerealiseerd tussen kwantumprocessoren over een grootstedelijke afstand. Het team ontwikkelde volledig zelfstandig werkende knooppunten en integreerde deze met bestaande glasvezel internetkabels, waardoor een 25 km lange kwantumverbinding mogelijk werd.

De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in Science Advances.

“De afstand waarover we kwantumverstrengeling creëren in dit project, via 25 km bestaande ondergrondse glasvezelkabel, is een record voor kwantumprocessoren,” zegt onderzoeksleider Ronald Hanson van QuTech. “Dit is de eerste keer dat zulke kwantumprocessoren in verschillende steden met elkaar verbonden zijn.” 

Een paar jaar geleden presenteerde het team het eerste multi-node kwantumnetwerk in het lab. “We werden geconfronteerd met nieuwe grote uitdagingen toen we van deze laboratoriumexperimenten naar de bouw van een kwantumverbinding tussen steden gingen. We moesten een flexibel systeem ontwerpen waarbij de knooppunten onafhankelijk van elkaar kunnen werken over lange afstanden. Ook moesten we de invloed van fotonverlies op de verbindingssnelheid beperken. Tot slot moesten we zorgen voor een betrouwbare ontvangstbevestiging bij elke geslaagde verstrengeling. Zonder deze innovaties zou zo’n grote afstand niet mogelijk zijn geweest.” 

‘Alsof je de maan op een constante afstand houdt’

Om de uitdaging van fotonverlies aan te gaan, bracht het team de kwantumverbinding tot stand met behulp van een foton-efficiënt protocol dat een hele precieze stabilisatie van de verbindende vezelverbinding vereiste. Arian Stolk legt het uit aan de hand van een analogie: “De verbinding moest stabiel zijn ruim binnen de golflengte van de fotonen (dus kleiner dan een micrometer) over 25 kilometer glasvezel. Die uitdaging is vergelijkbaar met het constant houden van de afstand tussen de aarde en de maan, met een nauwkeurigheid van slechts een paar millimeter. Door een combinatie van onderzoeksinzichten en toegepaste engineering konden we deze puzzel oplossen.” 

“In dit werk tonen we succesvolle verstrengeling aan tussen twee kwantumnetwerk-knooppunten die spin-qubits in diamant bevatten. De zelfstandig functionerende knooppunten zijn via een glasvezel verbonden door een tussenstation. We waren in staat om op betrouwbare wijze een vooraf gespecificeerde verstrengelde toestand te leveren tussen de knooppunten.” 

Samenwerking tussen wetenschap en industrie

Co-auteur Kian van der Enden legt uit hoe onmisbaar de brede expertise van het team was voor het succes van het project: “Fraunhofer ILT ontwikkelde een kritische component voor deze demonstratie, een nieuw type ‘quantumfrequentieomvormer’. OPNT leverde state-of-the-art timing hardware, Element Six leverde hoogwaardige synthetische diamantmateriaal en Toptica ontwikkelde lasers met een hoge stabiliteit. Tot slot leverde de Nederlandse telecomprovider KPN de glasvezelinfrastructuur en de locaties van de knooppunten, het middelpunt en het knooppunt in Den Haag.” 

Europees kwantuminternet

Dit resultaat is een mijlpaal dat belangrijke schaaluitdagingen voor toekomstige kwantuminternetwerken aanpakt stelt Jesse Robbers, Directeur Industrie & Digitale Infrastructuur bij Quantum Delta NL, dat het onderzoek medegefinancierd heeft. De architectuur en methoden zijn direct toepasbaar op andere qubit-platformen, inclusief de volgende generatie schaalbare qubits die het team momenteel ontwikkelt. Het succesvolle gebruik van al bestaande, conventionele internetinfrastructuur is het begin van een nieuwe fase op weg naar een praktisch kwantuminternet. Hanson: “Dit werk markeert de cruciale stap van het laboratorium naar de relevante toepassingsomgeving. Daardoor is het mogelijk om de werking van de eerste kwantumnetwerken op grootstedelijke schaal te gaan verkennen.”