Technische onderzoekers hebben proof-of-principle aangetoond voor een apparaat dat zou kunnen dienen als de ruggengraat van een toekomstig kwantuminternet. Engineering professor Hoi-Kwong Lo van de Universiteit van Toronto en zijn medewerkers hebben een prototype ontwikkeld voor een sleutelelement voor volledig fotonische kwantumrepeaters, een cruciale stap in kwantumcommunicatie over lange afstand.

Een kwantuminternet is de 'heilige graal' van de verwerking van kwantuminformatie, waardoor veel nieuwe toepassingen mogelijk zijn, waaronder informatietheoretische veilige communicatie. Het internet van vandaag is niet specifiek ontworpen voor beveiliging, en het toont:hacken, inbraken en computerspionage zijn veelvoorkomende uitdagingen. Kwaadaardige hackers porren voortdurend gaten in geavanceerde verdedigingslagen die door individuen zijn opgezet, bedrijven en overheden.

In het licht hiervan, onderzoekers hebben andere manieren voorgesteld om gegevens te verzenden die de belangrijkste kenmerken van de kwantumfysica zouden gebruiken om vrijwel onbreekbare codering te bieden. Een van de meest veelbelovende technologieën is een techniek die bekend staat als kwantumsleuteldistributie (QKD). QKD maakt gebruik van het feit dat de simpele handeling van het waarnemen of meten van de toestand van een kwantumsysteem dat systeem verstoort. Daarom, afluisteren door derden zou een duidelijk detecteerbaar spoor achterlaten, en de communicatie kan worden afgebroken voordat gevoelige informatie verloren gaat.

Tot nu, dit type kwantumbeveiliging is aangetoond in kleinschalige systemen. Lo en zijn team behoren tot een groep onderzoekers over de hele wereld die de basis leggen voor een toekomstig kwantuminternet door enkele van de uitdagingen aan te pakken bij het verzenden van kwantuminformatie over grote afstanden, gebruik van glasvezelcommunicatie.

Omdat lichtsignalen hun kracht verliezen als ze lange afstanden afleggen door glasvezelkabels, apparaten die repeaters worden genoemd, worden met regelmatige tussenpozen langs de lijn geplaatst. Deze repeaters versterken en versterken de signalen om de informatie langs de lijn te helpen verzenden.

Maar kwantuminformatie is anders, en bestaande repeaters voor kwantuminformatie zijn zeer problematisch. Ze vereisen opslag van de kwantumtoestand op de repeatersites, waardoor de repeaters veel foutgevoeliger zijn, moeilijk te bouwen, en erg duur omdat ze vaak bij cryogene temperaturen werken.

Lo en zijn team hebben een andere aanpak voorgesteld. Ze werken aan de ontwikkeling van de volgende generatie repeaters, zogenaamde volledig fotonische kwantumrepeaters, dat zou veel van de tekortkomingen van standaard kwantumrepeaters elimineren of verminderen. Met medewerkers van de Universiteit van Osaka, Toyama University en NTT Corporation in Japan, Lo en zijn team hebben een proof-of-concept van hun werk aangetoond in een paper dat onlangs is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"We hebben volledig fotonische repeaters ontwikkeld die in de tijd omgekeerde adaptieve Bell-meting mogelijk maken, " zegt Lo. "Omdat deze repeaters volledig optisch zijn, ze bieden voordelen die traditionele repeaters op basis van kwantumgeheugen niet hebben. Bijvoorbeeld, deze methode zou kunnen werken bij kamertemperatuur."

Een kwantuminternet zou toepassingen kunnen bieden die onmogelijk te implementeren zijn in het conventionele internet, zoals ondoordringbare beveiliging en kwantumteleportatie.

"Een volledig optisch netwerk is een veelbelovende vorm van infrastructuur voor snelle en energiezuinige communicatie die nodig is voor een toekomstig kwantuminternet, " zegt Lo. "Ons werk helpt de weg vrijmaken voor deze toekomst."