Een team van onderzoekers van QuTech in Nederland rapporteert de realisatie van het eerste multi-node kwantumnetwerk, drie kwantumprocessors met elkaar verbinden. In aanvulling, ze bereikten een proof-of-principle-demonstratie van belangrijke kwantumnetwerkprotocollen. Hun bevindingen markeren een belangrijke mijlpaal in de richting van het toekomstige kwantuminternet en zijn nu gepubliceerd in Wetenschap .

De kracht van internet is dat het twee computers op aarde met elkaar kan verbinden. Vandaag, onderzoekers in veel laboratoria over de hele wereld werken aan de eerste versies van een kwantuminternet - een netwerk dat twee kwantumapparaten kan verbinden, zoals kwantumcomputers of sensoren, over grote afstanden. Terwijl het internet van vandaag informatie verspreidt in bits die 0 of 1 kunnen zijn, een toekomstig kwantuminternet zal gebruik maken van kwantumbits die tegelijkertijd 0 en 1 kunnen zijn.

"Een kwantuminternet zal een reeks nieuwe toepassingen openen, van onkraakbare communicatie en cloudcomputing met volledige gebruikersprivacy tot uiterst nauwkeurige tijdregistratie, " zegt Matteo Pompili, doctoraat student en lid van het onderzoeksteam. "En net als met internet 40 jaar geleden, er zijn waarschijnlijk veel toepassingen die we nu niet kunnen voorzien."

Op weg naar alomtegenwoordige connectiviteit

De eerste stappen naar een kwantuminternet werden in het afgelopen decennium gezet door twee kwantumapparaten te koppelen die een directe fysieke link deelden. Echter, het kunnen doorgeven van kwantuminformatie via tussenliggende nodes (analoog aan routers in het klassieke internet) is essentieel voor het creëren van een schaalbaar kwantumnetwerk. In aanvulling, veel veelbelovende kwantuminternettoepassingen zijn afhankelijk van verstrengelde kwantumbits die zijn verdeeld over meerdere knooppunten. Verstrengeling is een fenomeen dat wordt waargenomen op de kwantumschaal, fundamenteel verbindende deeltjes op kleine en zelfs op grote afstanden. Het biedt kwantumcomputers hun enorme rekenkracht en het is de fundamentele bron voor het delen van kwantuminformatie via het toekomstige kwantuminternet. Door hun kwantumnetwerk in het lab te realiseren, een team van onderzoekers van QuTech - een samenwerking tussen de Technische Universiteit Delft en TNO - is de eerste die twee kwantumprocessors heeft verbonden via een tussenknooppunt en een gedeelde verstrengeling heeft vastgesteld tussen meerdere stand-alone kwantumprocessors.

Het kwantumnetwerk bedienen

Het rudimentaire kwantumnetwerk bestaat uit drie kwantumknooppunten, op enige afstand binnen hetzelfde gebouw. Om deze knooppunten als een echt netwerk te laten werken, de onderzoekers moesten een nieuwe architectuur uitvinden die het mogelijk maakt om verder te schalen dan een enkele link. Het middelste knooppunt (Bob genaamd) heeft een fysieke verbinding met beide buitenste knooppunten (Alice en Charlie genaamd), waardoor verstrengelingsverbindingen met elk van deze knooppunten tot stand kunnen worden gebracht. Bob is uitgerust met een extra quantumbit die als geheugen kan worden gebruikt, waardoor een eerder gegenereerde kwantumlink kan worden opgeslagen terwijl een nieuwe link tot stand wordt gebracht. Na het vaststellen van de kwantumkoppelingen Alice-Bob en Bob-Charlie, een reeks kwantumbewerkingen bij Bob zet deze links om in een kwantumlink Alice-Charlie. Alternatief, door een andere reeks kwantumbewerkingen uit te voeren bij Bob, verstrengeling tussen alle drie de knooppunten wordt vastgesteld.

Klaar voor later gebruik

Een belangrijk kenmerk van het netwerk is dat het de succesvolle voltooiing van deze (intrinsiek probabilistische) protocollen aankondigt met een "vlag"-signaal. Een dergelijke aankondiging is cruciaal voor schaalbaarheid, net als in een toekomstig kwantuminternet zullen veel van dergelijke protocollen aaneengeschakeld moeten worden. "Eenmaal vastgesteld, we waren in staat om de resulterende verstrengelde toestanden te behouden, hen te beschermen tegen lawaai, " zegt Sophie Hermans, een ander lid van het team. "Het betekent dat, in principe, we kunnen deze toestanden gebruiken voor de distributie van kwantumsleutels, een kwantumberekening of een ander volgend kwantumprotocol."

Quantum internetdemonstrator

Dit eerste op verstrengeling gebaseerde kwantumnetwerk biedt de onderzoekers een uniek testbed voor het ontwikkelen en testen van kwantuminternethardware, software en protocollen. "Het toekomstige kwantuminternet zal bestaan ​​uit talloze kwantumapparaten en tussenknooppunten, " zegt Ronald Hanson, die het onderzoeksteam leidde. "Collega's van QuTech onderzoeken nu al de toekomstige compatibiliteit met bestaande data-infrastructuren." Op tijd, de huidige proof-of-principle-aanpak zal buiten het laboratorium worden getest op bestaande telecomvezel - op QuTech's Quantum internet Demonstrator, waarvan de eerste grootstedelijke verbinding in 2022 moet worden voltooid.

Lagen op een hoger niveau

In het labortorium, de onderzoekers zullen zich richten op het toevoegen van meer kwantumbits aan hun netwerk met drie knooppunten en op het toevoegen van software- en hardwarelagen op een hoger niveau. Pompili:"Zodra alle controle- en interfacelagen op hoog niveau voor het runnen van het netwerk zijn ontwikkeld, iedereen kan een netwerktoepassing schrijven en uitvoeren zonder te hoeven begrijpen hoe lasers en cryostaten werken. Dat is het einddoel."