Een levensvatbaar kwantuminternet - een netwerk waarin informatie die is opgeslagen in qubits over lange afstanden wordt gedeeld door verstrengeling - zou de velden van gegevensopslag transformeren, precisie detectie en computergebruik, een nieuw communicatietijdperk inluidt.

Deze maand, wetenschappers van Fermi National Accelerator Laboratory - een nationaal laboratorium van het Amerikaanse ministerie van Energie dat is verbonden aan de Universiteit van Chicago - hebben samen met partners van vijf instellingen een belangrijke stap gezet in de richting van het realiseren van een kwantuminternet.

In een paper gepubliceerd in PRX Quantum, presenteert het team voor het eerst een demonstratie van een aanhoudende, teleportatie over lange afstand van qubits gemaakt van fotonen (lichtdeeltjes) met een getrouwheid van meer dan 90%.

De qubits werden geteleporteerd over een glasvezelnetwerk van 44 kilometer lang met behulp van ultramoderne enkelvoudige fotondetectoren, evenals kant-en-klare apparatuur.

"We zijn enthousiast over deze resultaten, " zei Fermilab-wetenschapper Panagiotis Spentzouris, hoofd van het Fermilab-kwantumwetenschapsprogramma en een van de co-auteurs van het artikel. "Dit is een belangrijke prestatie op weg naar het bouwen van een technologie die de manier waarop we wereldwijd communiceren opnieuw zal definiëren."

De prestatie komt slechts een paar maanden nadat het Amerikaanse ministerie van Energie zijn blauwdruk voor een nationaal kwantuminternet onthulde tijdens een persconferentie aan de Universiteit van Chicago.

Deeltjes koppelen

Kwantumteleportatie is een "ontlichaamde" overdracht van kwantumtoestanden van de ene locatie naar de andere. De kwantumteleportatie van een qubit wordt bereikt met behulp van kwantumverstrengeling, waarin twee of meer deeltjes onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn. Als een verstrengeld paar deeltjes wordt gedeeld tussen twee afzonderlijke locaties, ongeacht de afstand tussen hen, de gecodeerde informatie wordt geteleporteerd.

Het gezamenlijke team - onderzoekers van Fermilab, AT&T, Caltech, Harvard universiteit, NASA Jet Propulsion Laboratory en University of Calgary - hebben met succes qubits geteleporteerd op twee systemen:het Caltech Quantum Network en het Fermilab Quantum Network. De systemen zijn ontworpen, gebouwd, in opdracht van en ingezet door Caltech's publiek-private onderzoeksprogramma op Intelligent Quantum Networks and Technologies, of IN-Q-NET.

"We zijn erg trots dat we deze mijlpaal op het gebied van duurzaam, hoogwaardige en schaalbare kwantumteleportatiesystemen, " zei Maria Spiropulu, de Shang-Yi Ch'en hoogleraar natuurkunde aan Caltech en directeur van het IN-Q-NET onderzoeksprogramma. "De resultaten zullen verder worden verbeterd met systeemupgrades die we naar verwachting in het tweede kwartaal van 2021 zullen voltooien."

Zowel het Caltech- als het Fermilab-netwerk, die beschikken over bijna autonome gegevensverwerking, zijn compatibel met zowel bestaande telecommunicatie-infrastructuur als met opkomende kwantumverwerkings- en opslagapparaten. Onderzoekers gebruiken ze om de betrouwbaarheid en snelheid van verstrengelingsdistributie te verbeteren, met de nadruk op complexe kwantumcommunicatieprotocollen en fundamentele wetenschap.

"Met deze demonstratie beginnen we de basis te leggen voor de bouw van een grootstedelijk kwantumnetwerk in Chicago, ' zei Spenzouris.

Het Chicagoland-netwerk, genaamd het Illinois Express Quantum Network, wordt ontworpen door Fermilab in samenwerking met Argonne National Laboratory, Caltech, Northwestern University en industriële partners.

"De prestatie is een bewijs van het succes van samenwerking tussen disciplines en instellingen, die zoveel drijft van wat we in de wetenschap bereiken, " zei Joe Lykken, adjunct-directeur van onderzoek van Fermilab. "Ik prijs het IN-Q-NET-team en onze partners in de academische wereld en de industrie voor deze eerste in zijn soort op het gebied van kwantumteleportatie.