Naarmate het aantal hacks en beveiligingsinbreuken snel toeneemt, wetenschappers zeggen dat er misschien een manier is om een ​​echt onhackbaar netwerk te maken door de wetten van de kwantumfysica te gebruiken.

Om het concept te verkennen, wetenschappers creëren een netwerk in de omgeving van Chicago dat gebruikmaakt van de principes van de kwantumfysica om informatie te verzenden. Zo'n koppeling zou ooit de basis kunnen vormen voor een echt veilig netwerk, die verregaande gevolgen zouden hebben voor de communicatie, computergebruik en nationale veiligheid. De federale overheid schat dat kwaadaardige cyberactiviteiten de Amerikaanse economie in 2016 tussen $ 57 miljard en $ 109 miljard hebben gekost.

Het kwantumnetwerk, ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), zal zich uitstrekken tussen het Argonne National Laboratory van de DOE en het Fermi National Acceleratory Laboratory, een verbinding die naar verwachting een van de langste ter wereld zal zijn om veilige informatie te verzenden met behulp van kwantumfysica. Het experiment zal informatie "teleporteren" over een afstand van 30 mijl, omdat deeltjes hun kwantumtoestand onmiddellijk veranderen in plaats van tussen twee punten te reizen.

"Dit project lanceert de bouw van een communicatienetwerk op basis van de kwantumtoestanden van materie, een fundamenteel nieuwe manier bieden om informatie te creëren en veilig te verzenden, " zei David Awschalom, een wetenschapper uit Argonne en de Liew Family Professor of Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago, wie de hoofdonderzoeker van het project is. "We zullen een nationaal testbed bouwen om de wetenschap voor het ontwerpen van kwantumsystemen te ontwikkelen en de eigenschappen van kwantumverstrengeling te onderzoeken, een fenomeen dat zowel wetenschappers als het grote publiek fascineert."

Als resultaat van een groeiende focus op kwantumonderzoek onder wetenschappers van Argonne, Fermilab en UChicago, de drie instellingen hebben een partnerschap gevormd, de Chicago Quantum Exchange, waarbij 70 wetenschappers en ingenieurs betrokken zijn en de intellectuele talenten samenbrengen, onderzoekscapaciteiten en ingenieurskracht van de drie aangesloten instellingen.

"Dit is de eerste keer dat iemand zelfs maar van plan is een kwantumnetwerk als dit uit te voeren:een permanent, functionerend kwantumteleportatienetwerk op lange afstanden in de Verenigde Staten, " zei Fermilab adjunct-directeur en Chief Research Officer Joe Lykken. "We willen de mogelijk makende kwantumtechnologie demonstreren. En we willen onze expertise benutten om de weg vrij te maken voor anderen om hun eigen netwerken te creëren. Decennia geleden, zoiets bouwen zou slechts een droom zijn geweest. Maar we doen het nu, en binnenkort zullen anderen dat ook kunnen."

'De vreemde wetten van kwantum'

Het nieuwe communicatienetwerk maakt gebruik van de vreemde wetten van de kwantummechanica, die de interacties van de kleinste deeltjes regelen.

Een deel van de interesse in de ontwikkeling van kwantumsystemen komt voort uit een regel van de kwantummechanica die stelt dat het meten van een kwantumdeeltje zijn toestand verandert. Wetenschappers geloven dat een kwantumsysteem vrijwel onhackbaar zou kunnen zijn omdat, als iemand naar een uitzending probeert te kijken, het zou gestoord zijn, de informatie vernietigd, en de afzenders gewaarschuwd.

De kwantumsystemen die in Fermilab en Argonne worden ontwikkeld, zullen uiteindelijk een ondergrondse verbinding aanboren die voor het eerst in de jaren tachtig werd gebouwd om gegevensoverdracht te testen. De glasvezelkabels zijn nog ongestoord en functioneel, zeiden wetenschappers.

De manier waarop het kwantumnetwerk werkt, is door deeltjes te "verstrengelen", nog een eigenaardigheid van de kwantummechanica die zegt dat je twee (of meer) deeltjes kunt koppelen zodat ze in een gedeelde staat zijn - en wat er met de ene gebeurt, heeft invloed op de andere, zelfs als ze op dat moment mijlenver van elkaar verwijderd zijn.

Dus als wetenschappers een verstrengeld paar deeltjes delen tussen twee locaties, de kwantuminformatie kan overkomen, zelfs als de locaties ver uit elkaar liggen en er geen fysieke verbinding tussen is. Hoewel de kwantuminformatie is "geteleporteerd, " er wordt geen object vervoerd.

Tot dusver, dergelijke systemen zijn getest in laboratoria en op kleine schaal. Zelfs een paar kilometer afstand was een uitdaging, aangezien verstrengelde deeltjes op geen enkele manier mogen interageren met hun omgeving, en wetenschappers moeten elk verlies van fotonen die door de deeltjes worden uitgezonden overwinnen en de timing van hun transmissies nauwkeurig coördineren.

"Door informatieteleportatie uit te voeren over afstanden in de echte wereld die vele kilometers van elkaar verwijderd zijn, kunnen we praktische problemen identificeren die betrokken zijn bij het bedienen van een kwantumnetwerk - wat zijn de technologische uitdagingen, hoe veilig is de communicatie, en wat zijn de grenzen aan het op deze manier transporteren van informatie, ' zei Awschalom.

"Over de hele wereld bestaan ​​er kwantumtestbedden van vergelijkbare schaal. Maar de meeste vertrouwen op verstrengelde fotonen - lichtdeeltjes - om informatie te teleporteren. Ons testbed is daarin uniek, Voor de eerste keer, we streven naar een volledig solid-state architectuur waar ingesloten kwantumdeeltjes in vaste stoffen worden gebruikt als informatiedragers, " zei Tian Zhong, assistent-professor moleculaire engineering aan de Universiteit van Chicago en wetenschapper aan Argonne, die een co-hoofdonderzoeker van het project is.

Bij Fermilab, Shang-Yi Ch'en hoogleraar natuurkunde aan Caltech Maria Spiropulu bouwt momenteel een on-site kwantumnetwerk met partners AT&T en Jet Propulsion Laboratory. Ze begonnen deze inspanning in 2017, en een jaar later Spiropulu en haar team hebben het netwerk binnen Fermilab ingezet en werken aan de ontwikkeling van verbeterde apparaten voor langeafstandsverstrengelingsdistributie. Hun doel is om dat netwerk op termijn uit te breiden tot de grotere verbinding Fermilab-Argonne.

"Netwerken van kwantumapparaten is belangrijk voor het opschalen van kwantumberekening en het ontwerpen van hybride communicatiesystemen naar een kwantumversterkt internet, Spiropulu zei. "Er is een bewuste samenwerking nodig tussen de onderzoekslaboratoria van de overheid, academische wereld, industrie en stichtingen om daar te komen. Het Chicago Quantum Exchange-programma zal de vooruitgang op al deze gebieden katalyseren."

Op 8-9 november, wetenschappers uit Argonne, Fermilab en UChicago zullen samenkomen met de industrie, academische en regeringsleiders in het veld voor de Chicago Quantum Summit, een programma dat de toekomst van quantum computing en informatiewetenschap onderzoekt.

Een publieksevenement in de stad Chicago met de titel "Quantum Engineering:the Next Technical Arms Race, " met een gesprek tussen Awschalom en Hartmut Neven, directeur van het Google Quantum Artificial Intelligence Lab, zal plaatsvinden als onderdeel van de top.

Het werk aan de ontwikkeling van het Argonne-Fermilab-kwantumnetwerk wordt ondersteund door het DOE Office of Science.