16 apr. 2021
3 minuten
QuTech in Delft heeft het eerste kwantumnetwerk gebouwd dat drie kwantumprocessors met elkaar verbindt. Bovendien hebben ze in een proof-of-principle demonstratie twee essentiële kwantumnetwerk-protocollen uitgevoerd. Hun resultaten zijn een belangrijke stap op weg naar een kwantuminternet.
De resultaten zijn gepubliceerd in Science.
Het kwantuminternet moet kwantumapparaten als kwantumcomputers en sensoren met elkaar verbinden. "Het maakt een scala aan nieuwe toepassingen mogelijk, van onkraakbare communicatie en cloud computing met volledige privacy van gebruikers tot uiterst nauwkeurige tijdregistratie", zegt onderzoeker Matteo Pompili. "En waarschijnlijk zijn er legio toepassingen die we nu nog niet voorzien, net als met het huidige internet veertig jaar geleden."
Het is al mogelijk om twee kwantumapparaten middels een directe fysieke link met elkaar te verbinden. Om tot een schaalbaar netwerk te komen, is het echter essentieel om informatie via tussenliggende knooppunten te kunnen doorgeven – analoog aan hoe routers dat doen. Bovendien vereisen de meest veelbelovende toepassingen dat verstrengelde kwantumbits over meerdere knooppunten kunnen worden gedistribueerd.
Met het realiseren van hun kwantumnetwerk in het lab is het team van QuTech er als eerste in geslaagd om twee kwantumprocessors via een tussenliggend knooppunt met elkaar te verbinden, en tevens om gedeelde verstrengeling tot stand te brengen over meerdere onafhankelijke kwantumprocessoren.
Hoe werkt het?
Het rudimentaire kwantumnetwerk bestaat uit drie knooppunten, op enige afstand van elkaar in hetzelfde gebouw. De onderzoekers hebben een nieuwe architectuur ontworpen waarmee het mogelijk is om op te schalen tot een groter netwerk. Het middelste knooppunt (genaamd Bob) heeft een fysieke verbinding met de twee buitenste knooppunten (genaamd Alice en Charlie) zodat met elk van deze knooppunten een verstrengelde verbinding kan worden aangegaan. Bob beschikt bovendien over een extra bit dat als geheugen dient voor opslag van een reeds tot stand gekomen kwantumverbinding terwijl een volgende verbinding wordt opgezet. Nadat beide verbindingen (Alice-Bob en Bob-Charlie) tot stand zijn gekomen, zet Bob deze met een reeks bewerkingen om in een verbinding Alice-Charlie. Met het uitvoeren van een alternatieve set kwantumbewerkingen, ontstaat er gedeelde verstrengeling tussen alle drie de knooppunten.
Klaar voor verder gebruik
Een belangrijke eigenschap van het netwerk is dat het met een ‘vlag’-signaal aankondigt wanneer de – van nature probabilistische – protocollen succesvol zijn uitgevoerd. Dit is cruciaal omdat zulke protocollen in het schaalbare kwantuminternet in opeenvolging zullen moeten worden uitgevoerd. "Eenmaal tot stand gebracht, konden we de verstrengelde verbinding behouden en tegen ruis beschermen", zegt onderzoeker Sophie Hermans. "Dit betekent dat we deze kwantumtoestand in principe kunnen gebruiken om cryptografische sleutels te verdelen, een kwantumberekening uit te voeren of enig ander kwantumprotocol uit te voeren."
Demonstrator
Met dit eerste op verstrengeling gebaseerde kwantumnetwerk beschikken de onderzoekers over een unieke testfaciliteit voor het ontwikkelen en testen van hardware, software en protocollen. Onderzoeksleider Ronald Hanson: "Collega’s bij QuTech bestuderen op dit moment al de toekomstige compatibiliteit met de bestaande data-infrastructuur."
De huidige proof-of-principle implementatie zal te zijner tijd buiten het laboratorium getest worden, op bestaande glasvezel voor telecommunicatie – namelijk op QuTech’s Quantum Internet Demonstrator. De eerste grootstedelijke verbinding hiervan wordt volgens planning in 2022 voltooid.
Hogere lagen
In het lab richten de onderzoekers zich voor nu op het toevoegen van meer bits aan hun drie-knooppunten netwerk en op het toevoegen van hogere software- en hardwarelagen. Pompili: "Zodra deze aansturings- en interfacelagen zijn ontwikkeld, kan iedereen een toepassing voor het kwantumnetwerk ontwikkelen en uitvoeren zonder dat ze hoeven te begrijpen hoe lasers of cryostaten werken. Dat is ons einddoel."
Anderen lazen ook
