Onderzoekers van QuTech in Delft zijn er in geslaagd om quantum-verstrengeling tussen twee quantumchips sneller te genereren dan dat die verstrengeling verloren gaat.
Verstrengeling – door Einstein ooit omschreven als spooky action – is het fenomeen dat bij een (toekomstig) quantum-internet voor kracht en fundamentele veiligheid zal zorgen. Via een nieuw, slim verstrengelings-protocol en zorgvuldige bescherming van die verstrengeling, zijn de onderzoekers, geleid door prof. Ronald Hanson, de eersten ter wereld die een dergelijke quantum-link ‘on demand’ kunnen leveren.
Dit opent de deur naar het verbinden van meerdere quantum nodes en daarmee naar het eerste echte quantum-netwerk ter wereld. Ze publiceerden hun resultaten op 14 juni in Nature.
Quantum-internet
Door het toepassen van quantum-verstrengeling is het theoretisch mogelijk om een quantum-internet te bouwen dat niet valt af te luisteren. Maar het maken van zo’n quantum-netwerk is een hele uitdaging: je moet ‘on demand’ een betrouwbare verstrengeling kunnen creëren en deze lang genoeg in stand kunnen houden om de verstrengelde informatie naar de volgende knooppunt van het netwerk te kunnen sturen. Tot dusver lag dit buiten bereik van quantum-experimenten.
Wetenschappers bij QuTech in Delft zijn nu de eersten die experimenteel verstrengeling over een afstand van twee meter hebben gegenereerd binnen een fractie van een seconde en ‘on demand’; ze weten deze verstrengeling vervolgens ook lang genoeg in stand te houden dat die (in theorie) verder gestuurd kan worden naar een derde node. ‘De uitdaging is nu om een netwerk te maken van meerdere verstrengelde knooppunten: de eerste versie van een quantum-internet’, stelt professor Hanson.
Hogere prestatie
In 2015 haalde de onderzoeksgroep van Ronald Hanson al het wereldnieuws: ze waren de eersten die quantum-verstrengeling tussen elektronen genereerden over een lange afstand (1,3 kilometer), waardoor ze het experimenteel bewijs konden leveren van quantum-verstrengeling. Dat experiment is de basis van hun huidige aanpak om een quantum-internet te ontwikkelen: individuele elektronen op afstand in diamant-chips worden verstrengeld, met lichtdeeltjes als ‘tussenpersonen’.
Tot nu toe leverde dit experiment echter nog niet de noodzakelijke prestaties om een echt quantum-netwerk te maken. Hanson: ‘In 2015 konden we eens per uur een verbinding creëren, terwijl die verbinding maar een fractie van een seconde in stand bleef. Het was dus onmogelijk om een derde node aan het netwerk toe te voegen, laat staan meerdere.’
Verstrengeling ‘on demand’
De wetenschappers hebben nu meerdere innovaties aangebracht in het experiment. Ten eerste laten ze een nieuwe verstrengelingsmethode zien. Hiermee is het mogelijk om veertig keer per seconde verstrengeling te genereren tussen elektronen op een afstand van twee meter. Peter Humphreys, een van de auteurs van de publicatie, benadrukt: ‘Dit is duizend maal sneller dan met de oude methode.’ In combinatie met een slimme manier om de quantum-link te beschermen tegen externe ruis, is het experiment daarmee over een cruciale drempel heen: voor het eerst kan verstrengeling sneller worden gecreëerd dan deze weer verloren gaat.
Door technische verbeteringen kan met de experimentele setup nu altijd ‘verstrengeling-on-demand’ worden geleverd. Hanson: ‘Net als in het huidige internet, willen we altijd online zijn; het systeem moet op ieder verzoek verstrengelen.’ De wetenschappers hebben dit bereikt door slimme quality checks toe te voegen. Humphreys: ‘Deze checks nemen maar een fractie in beslag van de totale tijd van het experiment, en maken het mogelijk om zeker te stellen dat ons systeem klaar is voor verstrengeling, zonder handmatige actie’.
Netwerken
De onderzoekers lieten vorig jaar al zien dat ze in staat zijn om een quantum-verstrengelde link in stand te houden terwijl een nieuwe verbinding werd gegenereerd. Door dit te combineren met hun nieuwe resultaten, kunnen ze quantum-netwerken met meer dan twee knooppunten maken. De Delftse wetenschappers willen dit nu dan ook realiseren. Hanson:’ We willen vier steden in Nederland in 2020 verbonden hebben via quantum-verstrengeling. Dit zou het eerste quantum-internet ter wereld zijn.’
Het onderzoek wordt toegelicht in deze animatie.
