‘Link layer protocol’ brengt kwantuminternet dichterbij

Het werk is gepubliceerd op ACM SIGCOMM.

In de klassieke informatica stelt een verzameling softwarelagen – de netwerkstack -computers in staat om met elkaar te communiceren. De basis van de netwerkstack wordt gevormd door communicatieprotocollen, zoals het internetprotocol of het http-protocol. Het datalinklaag-protocol is een van de essentiële protocollen waarvan een netwerk gebruikt maakt. Dit protocol lost problemen op die het gevolg zijn van onvolmaakte hardware. Onderzoeksleider Stephanie Wehner: "We maken allemaal dagelijks gebruik van klassieke datalinklaag-protocollen. Denk bijvoorbeeld aan wifi, waarbij een onbetrouwbaar radiosignaal, dat onderhevig is aan onderbrekingen en storing, kan worden gebruikt om betrouwbaar data door te geven tussen compatibele apparaten."

Voor een kwantumnetwerk, dat is gebaseerd op de transmissie van kwantumbits, is eenzelfde niveau van betrouwbaarheid nodig. Wehner: "In ons werk hebben we een voorstel gedaan voor een kwantum-netwerkstack en ‘s werelds eerste datalinklaag-protocol voor een kwantumnetwerk gebouwd."

Veeleisende fysica

Het blijkt dat bestaande klassieke protocollen in de kwantumwereld onbruikbaar zijn. Eén uitdaging wordt gevormd door verschillen tussen de gebruikte technologieën. "Momenteel kunnen qubits niet erg lang in het geheugen worden gehouden. Dat betekent dat zeer snel moet worden beslist wat hiermee moet worden gedaan. Door dit datalinklaag-protocol te creëren hebben we obstakels overwonnen die het gevolg zijn van zeer veeleisende fysica."

Verstrengeling

Er zijn ook fundamentele verschillen tussen het kwantuminternet van de toekomst en het internet van vandaag, zoals kwantumverstrengeling: de basis van het kwantuminternet. Onderzoeker Axel Dahlberg: "Als twee fundamentele deeltjes met elkaar verstrengeld zijn, zijn ze zodanig met elkaar verbonden dat niets anders deel kan uitmaken van die verbinding. Dat maakt dat een geheel nieuw scala aan toepassingen mogelijk, waaronder beveiliging. Het is fysiek onmogelijk om een verstrengelde netwerkverbinding tussen twee gebruikers af te luisteren. Daarnaast kan de technologie bijvoorbeeld de synchronisatie van klokken verbeteren, of een verbinding maken tussen astronomische telescopen die zich ver van elkaar bevinden, zodat deze als één grote telescoop functioneren."

Volgens onderzoeker Matthew Skrzypczyk is een belangrijk voordeel van de voorgestelde kwantum-netwerkstack en het datalinklaag-protocol dat toekomstige software die gebruikmaakt van het protocol compatibel zal zijn met een groot aantal kwantum-hardwareplatforms. "Om gebruik te kunnen maken van ons datalinklaagprotocol is het niet nodig om te weten wat de onderliggende kwantumhardware is. Voor onze paper hebben we onderzoek gedaan naar de prestaties van het protocol met stikstofholtecentra in diamant, wat in essentie kleine kwantumcomputers zijn. Maar ons protocol kan bijvoorbeeld ook worden geïmplementeerd met ionenvallen. Dat betekent dat ons datalinklaag-protocol in de toekomst met verschillende soorten kwantumhardware kan worden gebruikt."

Het bouwen van een kwantumnetwerksysteem

De volgende stap zal zijn om een nieuw netwerklaag-protocol te testen en demonstreren met behulp van het datalinklaag-protocol. Wehner: "Met ons datalinklaag-protocol kunnen we betrouwbaar verstrengeling genereren tussen twee netwerkknooppunten die met een directe fysieke verbinding, zoals een glasvezelkabel, met elkaar zijn verbonden. De volgende stap is het produceren van verstrengeling tussen netwerkknooppunten die niet direct via glasvezel met elkaar zijn verbonden, met behulp van een tussenliggend knooppunt. Om grootschalige kwantumnetwerken te realiseren is het belangrijk om verder te gaan dan een natuurkundig experiment en een aanzet te maken met het bouwen van een kwantumnetwerksysteem. Dat is een van de doelstellingen van de door de EU-gefinancierde Quantum Internet Alliance (QIA)."