Onderzoekers van QuTech hebben een wereldprimeur bereikt op het gebied van kwantuminternettechnologie. Een team onder leiding van professor Stephanie Wehner heeft een zogenaamd verbindingslaagprotocol ontwikkeld dat het fenomeen kwantumverstrengeling van experimentele fysica naar een echt kwantumnetwerk brengt. Dit brengt de dag dichterbij dat kwantuminternet werkelijkheid kan worden, het leveren van toepassingen die via het klassieke internet onmogelijk te realiseren zijn. Het werk is vandaag gepresenteerd bij ACM SIGCOMM.

Bij klassieke informatica, een verzameling softwarelagen die de netwerkstack wordt genoemd, stelt computers in staat met elkaar te communiceren. Aan de basis van de netwerkstack liggen communicatieprotocollen, zoals het internetprotocol of HTTP. Stephanie Wehner legde uit dat een essentieel protocol dat door een netwerk wordt gebruikt, het verbindingslaagprotocol is. die de problemen overwint die worden veroorzaakt door onvolmaakte hardware:"We gebruiken allemaal klassieke linklaag-protocollen in het dagelijks leven. Een voorbeeld is Wi-Fi, waardoor een onbetrouwbaar radiosignaal - dat lijdt aan onderbrekingen en interferentie - kan worden gebruikt om gegevens betrouwbaar tussen compatibele apparaten te verzenden."

Een kwantumnetwerk, gebaseerd op transmissie van kwantumbits, of qubits, vereist hetzelfde betrouwbaarheidsniveau. Stephanie Wehner zegt, "In ons werk we hebben een kwantumnetwerkstapel voorgesteld, en hebben 's werelds eerste link-layer-protocol voor een kwantumnetwerk gebouwd."

Het blijkt dat bestaande klassieke protocollen niet kunnen helpen in de kwantumwereld. Een uitdaging wordt gevormd door verschillen tussen de gebruikte technologieën. Stephanie Wehner:"Momenteel qubits kunnen niet lang in het geheugen worden bewaard. Dit betekent dat controlebeslissingen over wat ermee te doen zeer snel moeten worden genomen. Door dit linklaagprotocol te maken, we hebben obstakels overwonnen die door een aantal zeer veeleisende fysica worden gepresenteerd."

Er zijn ook enkele fundamentele verschillen tussen een toekomstig kwantuminternet en het internet dat we vandaag zien. Stephanie Wehner zei dat twee kwantumbits verstrengeld kunnen worden:"Een dergelijke verstrengeling is als een verbinding. Dit is heel anders dan de situatie voor klassieke linklaag-protocollen waar we meestal alleen signalen verzenden. In dat geval, er is geen gevoel van verbondenheid ingebouwd op een fundamenteel niveau."

Kwantum internet

Het fenomeen verstrengeling vormt de basis van een quantuminternet. Wanneer twee fundamentele deeltjes verstrengeld zijn, ze zijn op zo'n manier met elkaar verbonden dat niets anders enig deel van deze verbinding kan hebben. Onderzoeker Axel Dahlberg zei dat dit een hele nieuwe reeks toepassingen mogelijk maakt. "Beveiliging is een belangrijke toepassing. Het is fysiek onmogelijk om een ​​verstrengelde netwerkverbinding tussen twee gebruikers af te luisteren. Om nog een voorbeeld te geven:de technologie maakt ook een verbeterde kloksynchronisatie mogelijk, of het kan astronomische telescopen verbinden die ver uit elkaar staan, dus ze fungeren als een enorme enkele telescoop."

Onderzoeker Matthew Skrzypczyk zei dat een belangrijk kenmerk van de voorgestelde kwantumnetwerkstack en het linklaagprotocol is dat toekomstige software die met het protocol wordt geschreven, compatibel zal zijn met veel kwantumhardwareplatforms. “Iemand die gebruik maakt van ons linklaagprotocol hoeft niet langer te weten wat de onderliggende kwantumhardware is. we bestuderen de prestaties van het protocol op stikstof-leegstandcentra in diamant, die in wezen kleine kwantumcomputers zijn. Echter, ons protocol kan ook worden geïmplementeerd op Ion Traps, bijvoorbeeld. Dit betekent ook dat ons linklaag-protocol in de toekomst op veel verschillende soorten kwantumhardware kan worden gebruikt."

Een kwantumnetwerksysteem bouwen

Stephanie Wehner zei dat de volgende stap het testen en demonstreren van een nieuw netwerklaagprotocol zal zijn met behulp van het linklaagprotocol:"Ons linklaagprotocol stelt ons in staat om op betrouwbare wijze verstrengeling te genereren tussen twee netwerkknooppunten die verbonden zijn door een directe fysieke link, zoals een telecomvezel. De volgende stap is het creëren van verstrengeling tussen netwerkknooppunten die niet rechtstreeks zijn verbonden door een vezel, met behulp van een tussenknooppunt. Om grootschalige kwantumnetwerken te realiseren, het is belangrijk om verder te gaan dan een natuurkundig experiment, en op weg naar het bouwen van een kwantumnetwerksysteem. Dit is een van de doelstellingen van de door de EU gefinancierde Quantum Internet Alliance (QIA)."