Dat is precies wat natuurkundigen van Harvard hebben gedaan, met behulp van bestaande telecommunicatievezels in de omgeving van Boston, in een demonstratie van 's werelds langste vezelafstand tussen twee kwantumgeheugenknooppunten tot nu toe. Zie het als een eenvoudig, gesloten internet tussen punt A en B, dat een signaal transporteert dat niet gecodeerd is door klassieke stukjes zoals het bestaande internet, maar door perfect veilige, individuele lichtdeeltjes.

Het baanbrekende werk, getiteld "Entanglement of nanophotonic quantum memory nodes in a telecom network" en gepubliceerd in Nature , werd geleid door Mikhail Lukin, hoogleraar aan de Joshua en Beth Friedman Universiteit bij het Departement Natuurkunde, in samenwerking met de Harvard-professoren Marko Lončar en Hongkun Park, die allemaal lid zijn van het Harvard Quantum Initiative, naast onderzoekers van Amazon Web Services.

Het Harvard-team heeft de praktische basis gelegd voor het eerste kwantuminternet door twee kwantumgeheugenknooppunten met elkaar te verstrengelen, gescheiden door een optische vezelverbinding die is opgesteld over een lus van ongeveer 35 kilometer door Cambridge, Somerville, Watertown en Boston. De twee knooppunten bevonden zich een verdieping uit elkaar in het Harvard Laboratory for Integrated Science and Engineering.

Kwantumgeheugen is, analoog aan het klassieke computergeheugen, een belangrijk onderdeel van een onderling verbonden kwantumcomputing-toekomst, omdat het complexe netwerkoperaties en het opslaan en ophalen van informatie mogelijk maakt. Hoewel er in het verleden andere kwantumnetwerken zijn gecreëerd, is dat van het Harvard-team het langste glasvezelnetwerk tussen apparaten dat informatie kan opslaan, verwerken en verplaatsen.

Elk knooppunt is een zeer kleine kwantumcomputer, gemaakt van een stukje diamant met een defect in de atomaire structuur, een zogenaamde silicium-vacancy center. In de diamant versterken uitgesneden structuren die kleiner zijn dan een honderdste van de breedte van een mensenhaar de interactie tussen het silicium-vacaturecentrum en licht.

Het silicium-vacaturecentrum bevat twee qubits, of stukjes kwantuminformatie:één in de vorm van een elektronenspin die wordt gebruikt voor communicatie, en de andere in een kernspin met een langere levensduur die wordt gebruikt als geheugenqubit om verstrengeling op te slaan (de kwantummechanische eigenschap waarmee informatie over elke afstand perfect gecorreleerd kan worden).

Beide spins zijn volledig regelbaar met microgolfpulsen. Deze diamantapparaten, slechts een paar vierkante millimeter groot, zijn ondergebracht in verdunningskoelunits die temperaturen bereiken van -459°F.

Het gebruik van silicium-vacancycentra als kwantumgeheugenapparaten voor afzonderlijke fotonen is een meerjarig onderzoeksprogramma aan Harvard. De technologie lost een groot probleem op in het theoretische kwantuminternet:signaalverlies dat niet op traditionele manieren kan worden versterkt.

Een kwantumnetwerk kan geen gebruik maken van standaard glasvezelsignaalversterkers, omdat het kopiëren van willekeurige kwantuminformatie onmogelijk is. Hierdoor is de informatie veilig, maar ook zeer moeilijk te transporteren over lange afstanden.

Op siliciumvacaturecentra gebaseerde netwerkknooppunten kunnen stukjes kwantuminformatie opvangen, opslaan en verwarren, terwijl signaalverlies wordt gecorrigeerd. Nadat de knooppunten zijn afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt, wordt licht door het eerste knooppunt gestuurd en raakt, door de aard van de atomaire structuur van het siliciumvacaturecentrum, ermee verstrikt.

"Omdat het licht al verstrengeld is met het eerste knooppunt, kan het deze verstrengeling overbrengen naar het tweede knooppunt", legt eerste auteur Can Knaut uit, een student van de Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences in het laboratorium van Lukin. "We noemen dit foton-gemedieerde verstrengeling."

De afgelopen jaren hebben de onderzoekers glasvezel gehuurd van een bedrijf in Boston om hun experimenten uit te voeren, waarbij ze hun demonstratienetwerk bovenop de bestaande glasvezel hebben geplaatst om aan te geven dat het creëren van een kwantuminternet met soortgelijke netwerklijnen mogelijk zou zijn.

"Aantonen dat kwantumnetwerkknooppunten verstrikt kunnen raken in de echte wereld van een zeer druk stedelijk gebied, is een belangrijke stap in de richting van praktische netwerken tussen kwantumcomputers", aldus Lukin.

Een kwantumnetwerk met twee knooppunten is nog maar het begin. De onderzoekers werken er hard aan om de prestaties van hun netwerk uit te breiden door knooppunten toe te voegen en te experimenteren met meer netwerkprotocollen.