Hoe het lang gedroomde, onkraakbare kwantuminternet dichterbij komt

Een jaar nadat Nederlandse onderzoekers het eerste bruikbare kwantumnetwerk ter wereld hebben gebouwd, is het nu ook daadwerkelijk gebruikt om informatie over te verzenden. De primeur vormt een opstap naar het lang gedroomde, onkraakbare internet dat kwantumcomputers met elkaar moet verbinden.

“Een mijlpaal”, noemde vakgebiedgrootheid Anton Zeilinger (Universiteit van Wenen) vorig jaar het eerste bruikbare kwantumnetwerk ter wereld, verrezen in een ondergronds laboratorium van onderzoeksinstituut QuTech in Delft. Woensdag beschrijven de makers ervan in vakblad Nature de volgende stap: voor het eerst slaagden ze erin informatie over het netwerk te verzenden.

Fysici dromen al van kwantumnetwerken sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw, toen de eerste plannen voor kwantumcomputers ontstonden. Die computers rekenen met de maffe wetten van de kwantumfysica, de natuurkundetheorie die de wereld op de allerkleinste schaal beschrijft. Daarin kunnen kwantumbits – qubits – bijvoorbeeld niet alleen ‘0’ of ‘1’ zijn, maar ook ‘0’ en ‘1’ tegelijk.

Dat stelt computers in staat berekeningen te maken die zelfs voor de beste supercomputers onmogelijk zijn. Fysici hopen er nieuwe, op de persoon toegespitste medicijnen mee te kunnen ontwikkelen, of materialen die een energierevolutie ontketenen.

Mysterieuze kwantumconnectie

Wie zulke computers op elkaar wil aansluiten, heeft echter een heel ander soort internet nodig dan we tot nu toe kennen, een kwantuminternet. Dat maakt gebruik van zogeheten verstrengeling, een mysterieuze kwantumconnectie die maakt dat wat je doet met één qubit, direct invloed heeft op een andere. Zelfs als die zich op grote afstand bevindt.

Vorig jaar lukte het de Delftse onderzoekers voor het eerst om drie fysieke qubits, huizend in een minuscuul gaatje in een stukje diamant van 2 bij 2,5 millimeter, zodanig met elkaar te verstrengelen dat een rudimentair kwantumnetwerk ontstond. Eerder waren dergelijke netwerken alleen tussen twee punten mogelijk.

Nu hebben de onderzoekers die verstrengeling daadwerkelijk gebruikt om informatie van punt A naar punt C te sturen, terwijl ze het tussenliggende punt B oversloegen. Teleportatie noemen fysici zulke informatieoverdracht daarom ook wel, met een knipoog naar sciencefictionseries als Star Trek, waarin grote voorwerpen en zelfs mensen zich direct tussen twee punten kunnen verplaatsen.

‘Aanzienlijke verbetering’

Volgens eerste auteur Sophie Hermans, die aan QuTech op dit onderzoek promoveerde bij de onderzoeksgroep van kwantuminternethoogleraar Ronald Hanson, was de vervolgstap “veel complexer dan wat we vorig jaar deden”. Zo moesten de onderzoekers de verstrengeling een stuk betrouwbaarder maken en de snelheid waarmee die zich vormt vergroten.

“Een aanzienlijke verbetering”, oordeelt kwantumexpert Tracy Northup (universiteit van Innsbruck), zelf niet bij het onderzoek betrokken. “Ze komen nu veel dichter bij praktische toepassingen.”

De huidige opstelling is op papier eenvoudig uit te breiden: meer knooppunten toevoegen of informatie over grotere afstanden teleporteren, verandert niets aan de basisprincipes. Toch zal de praktijk weerbarstiger blijken, vermoedt Hermans. Het netwerk moet dan namelijk nóg betrouwbaarder en nóg sneller worden. “En volgens mij hebben we nu wel zo’n beetje alles uit deze opstelling geperst wat mogelijk is.”

Volgens zowel Hermans als Northup hoeft dat geen groot probleem te zijn. De benodigde verbeteringen voor de volgende stap, zijn zelfs al grotendeels beschikbaar. Zo kun je de verstrengeling efficiënter maken door de qubits te verbinden met zogeheten optical cavities, een soort trilkamer voor fotonen (lichtdeeltjes). “En als je de frequentie van de fotonen verandert, kun je gebruikmaken van de optische kabels van bestaande telecomnetwerken”, zegt Northup. “Dan kun je straks pas echt grote afstanden overbruggen.”