Wetenschappers zijn wereldwijd aan het werk om een niet af te luisteren internet te bouwen gebaseerd op verstrengeling – de onzichtbare quantum-fysische band tussen deeltjes.

Een grote uitdaging is dat deze verstrengeling bij elk nieuw knooppunt zwakker wordt. Wetenschappers uit Delft en Oxford zijn er nu in geslaagd om een sterke verstrengelingsverbinding te distilleren uit meerdere zwakkere verbindingen. Deze doorbraak maakt het op korte termijn mogelijk om voor het eerst rudimentaire quantumnetwerken te bouwen, en levert meteen een essentieel element voor een toekomstig quantuminternet. De wetenschappers publiceren dit werk vandaag in het tijdschrift Science.

Spookachtig internet
Veilige communicatie is een van de grootste uitdagingen in dit digitale tijdperk. Over de hele wereld werken wetenschappers aan nieuwe methoden om écht veilige netwerken te realiseren: gebaseerd op de wetten van de quantummechanica. In zulke netwerken is het fundamenteel onmogelijk om ongemerkt afgeluisterd te worden, maar het maken van sterke verbindingen in deze netwerken, gebaseerd op het krachtige maar kwetsbare principe van quantum verstrengeling, is een grote uitdaging.

De onderzoeksgroep van Ronald Hanson bij QuTech is beroemd door het realiseren van verbindingen gebaseerd op quantumverstrengeling. Met behulp van lichtdeeltjes zijn de wetenschappers in staat om de quantuminformatie te verbinden over grotere afstanden: tot ruim een kilometer. Met een belangrijke test lieten de wetenschappers eerder de kracht van zo’n verbinding zien: verstrengeling is onzichtbaar voor een tussenpersoon: de informatie kan niet worden afgeluisterd.

Gedeelde informatie
"Verstrengelde elektronen gedragen zich als het ware als één, ongeacht de afstand. Op welke manier je ook naar de elektronen kijkt, ze hebben altijd gedeelde informatie", vertelt professor Ronald Hanson. Een meting op het ene deeltje, beïnvloedt direct een meting op het andere deeltje, zelfs wanneer ze lichtjaren van elkaar gescheiden worden.

Wetenschappers zijn nu bezig om verstrengeling in te zetten voor radicaal nieuwe technologie. "De informatie bevindt zich als het ware op beide plekken tegelijkertijd en gevoelige informatie hoeft daardoor geen weg af te leggen", licht Hanson toe. "We voorzien in de toekomst veilige netwerkverbindingen gebaseerd op verstrengeling: een quantuminternet."

"Waar we eerst verstrengde informatie realiseerden tussen twee elektronen in twee diamanten, gebruiken we nu ook één van de aanwezige kernspins in iedere diamant om de verstrengelde informatie tijdelijk op te slaan." Terwijl de informatie veilig is opgeslagen, verstrengelen de wetenschappers de elektronen opnieuw. Hanson: "Nu zijn er twee verbindingen. Door deze op een slimme manier met elkaar te combineren, kunnen we uit die zwakkere verbindingen één sterkere verstrengelde verbinding halen, een beetje zoals whisky wordt gedistilleerd uit lager-alcoholische basisingrediënten." Deze distillatie van verstrengeling kan in principe steeds vaker herhaald worden totdat de verbinding de gewenste kracht heeft.

Verreikende mogelijkheden
Deze methode opent belangrijke deuren voor het quantum internet. Promovendus Norbert Kalb: "Om zo’n netwerk te realiseren hebben we alles nodig dat het huidige internet ook gebruikt: een geheugen, een processor en verbindingen. Nu laten we zien dat we de kernspins als geheugen kunnen gebruiken, zonder dat deze verstoord worden door nieuwe verbindingen tussen de elektronen, de processor."

Hanson: "Op deze manier kunnen we verder gaan dan twee verbindingen en het eerste echte quantumnetwerk gaan opzetten. We gaan dan ook qua wetenschap echt onbekend gebied in." Deze distillatie van verstrengeling is essentieel voor de toekomst van het quantuminternet: waarin vele quantumverbindingen bestaan, die ook nog eens van hoge kwaliteit moeten zijn. Volgens Hanson is die toekomst niet ver weg: "binnen vijf jaar willen we vier grote steden in Nederland verbinden in een rudimentair quantumnetwerk."