Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Ronald Hanson van de TU Delft is erin geslaagd om quantumdeeltjes met elkaar te verstrengelen over een afstand van tien kilometer.  Zij creëerden hiermee een netwerkverbinding tussen twee basale quantumprocessoren, waarvan één in Delft staat en één in Den Haag.

Deze rudimentaire verbinding geldt als eerste quantumverbinding tussen steden, en is een belangrijke stap op weg naar het quantuminternet. Tot nu toe bestaan zulke quantumnetwerken alleen nog in laboratoria.

De wetenschappers publiceerden dit resultaat 30 oktober in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances.

 

Verstrengeling

Quantumdeeltjes zijn deeltjes op de (sub)-atomaire schaal, waarin andere fysische wetten van kracht zijn dan die waar wij dagelijks mee te maken hebben. Zo kunnen quantumdeeltjes op twee plekken tegelijk aanwezig zijn en zich in meerdere toestanden tegelijkertijd bevinden (superpositie).

Verstrengelde quantumdeeltjes gedragen zich hetzelfde, óók als ze zich op grote afstand van elkaar bevinden: als bij het ene deeltje een bepaalde eigenschap verandert, gebeurt dit bij het andere, verstrengelde deeltje op hetzelfde moment ook. Hierover schreven we twee jaar geleden meer, toen drie fysici samen de Nobelprijs natuurkunde kregen voor hun onderzoek aan dit verschijnsel.

 

Bits en qubits

In computers kunnen verstrengeling en superpositie handige eigenschappen zijn. De computer waarop u dit leest, werkt met bits: informatie-eenheden die twee waarden kunnen aannemen (aan of uit, één of nul). Quantumcomputers werken met qubits, waarin ook superposities kunnen optreden – dus die de waarde één en nul tegelijkertijd kunnen hebben.

Een voorbeeld van een deeltje dat als qubit kan fungeren is een elektron, dat zowel een ‘spin’ als een lading heeft, eigenschappen die zich allebei in meerdere toestanden kunnen bevinden. Ook fotonen (lichtdeeltjes) zijn geschikt, omdat die zowel golf- als deeltjeseigenschappen hebben.

Quantumnetwerken maken gebruik van qubits om nieuwe communicatie- en rekenmogelijkheden te creëren. Zo kunnen qubits encryptiesleutels genereren voor het delen van financiële of medische gegevens. Ook kunnen met qubits sommige berekeningen miljoenen keren sneller gaan dan de op dit moment gebruikte computers.  

 

Verbinding

De quantumprocessoren in Delft in Den Haag waartussen nu een netwerkverbinding bestaat, zijn verbonden via twee tussenstations, met een glasvezelkabel van 25 kilometer lang. Dat is een record, zegt Ronald Hanson van de TU Delft, die het project leidde, in een nieuwsbericht van zijn universiteit .

Eén van de uitdagingen was het stabiel houden van de glasvezelkabelverbinding, op een schaal gelijk aan de golflengte van fotonen, zodat die netjes in hun baan blijven en niet uit fase raken. Hanson: ‘Als dat wel gebeurt, kan het zijn dat ze elkaar uitdoven in plaats van versterken zoals nu.’

De afwijking moet daarvoor over het traject van 25 kilometerruim onder 1 micrometer blijven. ‘Dat is vergelijkbaar met het constant houden van de afstand tussen de aarde en de maan met een nauwkeurigheid van een paar millimeter’, zegt onderzoeker Arian Stolk in het nieuwsbericht.

 

Toekomst

De architectuur van dit basale netwerk en de gebruikte methoden zijn ook toepasbaar op andere qubit-platformen, en op de volgende generatie opschaalbare qubits die het onderzoeksteam aan het ontwikkelen is. Vanaf hier duurt het echter nog zeker vijf jaar voor er daadwerkelijk een eerste commercieel quantumnetwerk bestaat, denkt Hanson.

Het project werd geleid door onderzoeksinstituut QuTech, een samenwerkingsverband tussen de TU Delft en TNO.

Foto: Depositphotos