Een repeater voor het quantuminternet

Natuurkunde Het is gelukt om twee quantumwolkjes over grote afstand met elkaar te verstrengelen. Met hulp van een repeater.

Een experiment met licht en elektronen in een laboratorium.
Een experiment met licht en elektronen in een laboratorium. Foto Wladimir Bulgar/Science Photo Li

Een internet gebaseerd op quantumcommunicatie is een stapje dichterbij. Chinese onderzoekers hebben een techniek gedemonstreerd waarmee quantumsystemen dankzij slimme tussenstations over grote afstanden met elkaar verbonden kunnen worden. Hun resultaten verschenen woensdag in Nature.

Met een quantuminternet kunnen toekomstige quantumcomputers onderling verbonden worden, maar er zijn ook toepassingen voor huidige computersystemen. Een quantuminternetverbinding is bijvoorbeeld gegarandeerd veilig omdat het dankzij speciale quantumeigenschappen onmogelijk is om de informatie die je erover verstuurt te onderscheppen.

Lees over de veiligheid van quantumverbindingen: Snelle quantumversleuteling voor geheime berichten

Quantumverstrengeling

Een quantumeigenschap die je hiervoor nodig hebt, en die de Chinese onderzoekers via een kilometers lange glasvezel tot stand brachten, is verstrengeling. Dit is een bijzondere band tussen twee quantumsystemen. Als je twee verstrengelde quantumsystemen heel ver bij elkaar vandaan brengt en dezelfde meting doet, vind je hetzelfde resultaat. Als je ze bijvoorbeeld vraagt wat hun lievelingskleur is, en de ene zegt rood, dan zegt de andere onmiddellijk ook rood. Ook als ze dit van te voren niet konden afspreken en zo ver bij elkaar vandaan zijn dat ze niet kunnen communiceren.

De onderzoekers bewerkstelligden een verstrengeling tussen twee gaswolkjes met rubidiumatomen die in een quantumtoestand waren gebracht. Elk quatumgaswolkje werd hiervoor eerst verstrengeld met lichtdeeltjes. De lichtdeeltjes van de twee wolkjes reisden vervolgens, elk via een aparte glasvezel, naar een soort meetstation. Door de lichtdeeltjes daar te combineren, raakten ook de quantumgaswolkjes verstrengeld. „Tijdens een van de experimenten reisden de lichtdeeltjes via een elf kilometer lange glasvezel naar een meetstation in een ander gebouw [het Hefei Software Park, red.]”, mailt Bao Xiaohui van de University of Science and Technology of China. Bij een ander experiment stond het meetstation in hetzelfde lab en reisden de lichtdeeltjes door een 50 kilometer lange, opgerolde glasvezel. Bao: „We beschikken namelijk niet over glasvezel die geschikt is voor die afstand buiten.”

Lichtdeeltjes reisden via een glasvezelverbinding van 11 kilometer tussen twee gebouwen

Het versturen van de lichtdeeltjes is technisch lastig omdat hun verstrengeling met de gaswolkjes heel fragiel is. Kleine verstoringen kunnen deze band breken. Het voordeel is dat ongemerkt afluisteren onmogelijk is, want dat verstoort de verstrengeling. Nadeel is dat het lastig is om verstrengelde lichtdeeltjes over grote afstand te versturen.

„De verliezen in een glasvezel nemen exponentieel toe met de afstand”, vertelt Ronald Hanson van het Delftse quantuminstituut QuTech. „Als je quantumsignaal over honderd kilometer tien keer zwakker wordt, dan is het na tweehonderd kilometer honderd keer zwakker en na driehonderd kilometer duizend keer zwakker. Daardoor is het met de huidige technieken onmogelijk om verstrengelde deeltjes over grote afstanden te sturen.”

Quantumrepeater

Het Chinese onderzoek gebruikte een zogeheten quantum repeater om toch een grote afstand te overbruggen. Dit is een soort complexe signaalversterker voor lichtdeeltjes. Quantum repeaters zijn te gebruiken als tussenstation om een grote afstand in kleine stappen te overbruggen.

Een quantum repeater bestaat uit een onderdeel dat meet of een lichtdeeltje is aangekomen, en een quantumgeheugen dat de verstrengelde quantumtoestand van lichtdeeltjes kan vasthouden. De Chinese onderzoekers combineerden in één systeem twee van die geheugens – in de vorm van quantumgaswolkjes – en een meetonderdeel. Daaraan voegden ze bovendien een onderdeel toe dat zorgt dat de lichtdeeltjes met minimale verliezen door de glasvezel reizen. „Het is technisch indrukwekkend dat ze al die verschillende onderdelen hebben verbeterd en aan elkaar gekoppeld”, zegt Hanson. „Dat is niet eerder gedaan.”

De onderzoekers hebben aangetoond dat deze techniek werkt, maar het zal nog een paar jaar duren voordat het goed genoeg is om toegepast te worden in een quantumnetwerk.