Een kwantuminternet zou kunnen worden gebruikt om onhackbare berichten te verzenden, de nauwkeurigheid van GPS verbeteren, en cloudgebaseerde kwantumcomputing mogelijk te maken. Al meer dan twintig jaar, dromen over het creëren van zo'n kwantumnetwerk zijn grotendeels buiten bereik gebleven vanwege de moeilijkheid om kwantumsignalen zonder verlies over grote afstanden te sturen.

Nutsvoorzieningen, Onderzoekers van Harvard en MIT hebben een manier gevonden om signaalverlies te corrigeren met een prototype kwantumknooppunt dat kan vangen, om stukjes kwantuminformatie op te slaan en te verstrengelen. Het onderzoek is de ontbrekende schakel naar een praktisch kwantuminternet en een grote stap voorwaarts in de ontwikkeling van langeafstandsquantumnetwerken.

"Deze demonstratie is een conceptuele doorbraak die het langst mogelijke bereik van kwantumnetwerken zou kunnen uitbreiden en mogelijk veel nieuwe toepassingen mogelijk zou maken op een manier die onmogelijk is met bestaande technologieën, " zei Michail Loekin, de George Vasmer Leverett hoogleraar natuurkunde en mededirecteur van het Harvard Quantum Initiative. "Dit is de realisatie van een doel dat al meer dan twee decennia wordt nagestreefd door onze kwantumwetenschaps- en engineeringgemeenschap."

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur .

Elke vorm van communicatietechnologie - van de eerste telegraaf tot het huidige glasvezelinternet - heeft te maken gehad met het feit dat signalen verslechteren en verloren gaan wanneer ze over afstand worden verzonden. De eerste repeaters, die signalen ontvangen en versterken om dit verlies te corrigeren, werden halverwege de 19e eeuw ontwikkeld om vervagende telegraafsignalen te versterken. Tweehonderd jaar later, repeaters vormen een integraal onderdeel van onze langeafstandscommunicatie-infrastructuur.

In een klassiek netwerk als Alice in New York Bob in Californië een bericht wil sturen, het bericht reist van kust tot kust in min of meer rechte lijn. Onderweg, het signaal gaat door repeaters, waar het wordt gelezen, versterkt en gecorrigeerd voor fouten. Het hele proces is op elk moment kwetsbaar voor aanvallen.

Als Alice een kwantumbericht wil sturen, echter, het proces is anders. Kwantumnetwerken gebruiken kwantumdeeltjes van licht - individuele fotonen - om kwantumtoestanden van licht over lange afstanden te communiceren. Deze netwerken hebben een truc die klassieke systemen niet hebben:verstrengeling.

Verstrengeling - wat Einstein 'spookachtige actie op afstand' noemde - zorgt ervoor dat stukjes informatie op elke afstand perfect kunnen worden gecorreleerd. Omdat kwantumsystemen niet kunnen worden waargenomen zonder te veranderen, Alice zou verstrikking kunnen gebruiken om Bob een bericht te sturen zonder angst voor afluisteraars. Dit idee vormt de basis voor toepassingen zoals kwantumcryptografie - beveiliging die wordt gegarandeerd door de wetten van de kwantumfysica.

Quantumcommunicatie over lange afstanden, echter, wordt ook beïnvloed door conventionele fotonverliezen, dat is een van de grootste obstakels voor het realiseren van grootschalig quantuminternet. Maar, hetzelfde fysieke principe dat kwantumcommunicatie ultraveilig maakt, maakt het ook onmogelijk om bestaande, klassieke repeaters om informatieverlies op te lossen.

Hoe kun je een signaal versterken en corrigeren als je het niet kunt lezen? De oplossing voor deze schijnbaar onmogelijke taak is een zogenaamde kwantumrepeater. In tegenstelling tot klassieke repeaters, die een signaal versterken via een bestaand netwerk, kwantumrepeaters creëren een netwerk van verstrengelde deeltjes waardoor een bericht kan worden verzonden.

In essentie, een kwantumrepeater is een kleine, speciale kwantumcomputer. In elke fase van een dergelijk netwerk kwantumrepeaters moeten kwantumbits kwantuminformatie kunnen opvangen en verwerken om fouten te corrigeren en ze lang genoeg op te slaan zodat de rest van het netwerk gereed is. Tot nu, dat was om twee redenen onmogelijk:ten eerste, losse fotonen zijn erg moeilijk te vangen. Tweede, kwantuminformatie is notoir kwetsbaar, waardoor het zeer uitdagend is om gedurende lange tijd te verwerken en op te slaan.

Lukin's laboratorium, in samenwerking met Marko Loncar, de Tiantsai Lin hoogleraar elektrotechniek aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS),

Hongkun-park, Mark Hyman Jr. hoogleraar scheikunde aan de Harvard Faculty of Arts and Sciences (FAS), en Dirk Englund, Universitair hoofddocent Elektrotechniek en Computerwetenschappen aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT), heeft gewerkt aan het gebruik van een systeem dat beide taken goed kan uitvoeren:kleurcentra voor silicium-vacatures in diamanten.

Deze centra zijn kleine defecten in de atomaire structuur van een diamant die licht kunnen absorberen en uitstralen, waardoor de briljante kleuren van een diamant ontstaan.

"De afgelopen jaren hebben onze laboratoria hebben gewerkt aan het begrijpen en controleren van individuele kleurcentra voor siliciumvacatures, vooral over hoe ze te gebruiken als kwantumgeheugenapparaten voor afzonderlijke fotonen, " zei Mihir Bhaskar, een afgestudeerde student in de Lukin-groep.

De onderzoekers integreerden een individueel kleurcentrum in een nanogefabriceerde diamantholte, die de informatiedragende fotonen beperkt en hen dwingt om te interageren met het enkele kleurencentrum. Vervolgens plaatsten ze het apparaat in een verdunningskoelkast, die temperaturen bereikt die dicht bij het absolute nulpunt liggen, en stuurde individuele fotonen via glasvezelkabels naar de koelkast, waar ze efficiënt werden gevangen en gevangen door het kleurencentrum.

Het apparaat kan de kwantuminformatie milliseconden opslaan - lang genoeg om informatie over duizenden kilometers te transporteren. Elektroden die rond de holte waren ingebed, werden gebruikt om stuursignalen af ​​te geven om de in het geheugen opgeslagen informatie te verwerken en te bewaren.

"Dit apparaat combineert de drie belangrijkste elementen van een kwantumrepeater:een lang geheugen, het vermogen om efficiënt informatie van fotonen te vangen, en een manier om het lokaal te verwerken, zei Bart Machielse, een afgestudeerde student in het Laboratory for Nanoscale Optics. "Elk van die uitdagingen is afzonderlijk aangepakt, maar geen enkel apparaat heeft ze alle drie gecombineerd."

"Momenteel, we werken eraan dit onderzoek uit te breiden door onze kwantumherinneringen in het echt in te zetten, stedelijke glasvezelverbindingen, " zei Ralf Riedinger, een postdoctorale kandidaat in de Lukin-groep. "We zijn van plan om grote netwerken van verstrengelde kwantumgeheugens te creëren en de eerste toepassingen van het kwantuminternet te verkennen."

"Dit is de eerste demonstratie op systeemniveau, het combineren van grote vooruitgang in nanofabricage, fotonica en kwantumcontrole, dat een duidelijk kwantumvoordeel laat zien bij het communiceren van informatie met behulp van kwantumrepeaterknooppunten. We kijken ernaar uit om nieuwe, unieke toepassingen die deze technieken gebruiken, ' zei Lukin.