Onkraakbaar internet dat draait op de mysterieuze wetten van de quantumfysica komt steeds dichterbij. Natuurkundigen ontdekten een kristal dat informatie langer bewaart en sneller uitwisselt, zodat je een quantumnetwerk veel beter aan elkaar kunt knopen dan tot nog toe mogelijk was.
De belofte van quantumnetwerken is groot. Zo kun je in de toekomst via zo’n netwerk toekomstige quantumcomputers aan elkaar koppelen. Maar veel interessanter is misschien nog dat je met een quantumnetwerk informatie veel veiliger kunt versturen. Het quantuminternet bevat via de ongrijpbare wetten van de quantumfysica namelijk een natuurlijke bescherming tegen luistervinken.
Opgekrikt signaal
Alleen moet je zo’n quantumnetwerk dan nog wel kunnen bouwen. Het ‘gewone’ internet knoopt zijn netwerk aan elkaar via knooppunten die informatie uitlezen en vervolgens doorsturen naar de juiste bestemming. Als dat over grote afstanden gebeurt, heb je bovendien versterkers nodig, zodat bij aankomst nog wat van het signaal over is. Een ‘gewone’ versterker, zoals een gemiddelde wifi-installatie dat gebruikt, meet daarvoor het inkomende signaal, kopieert dat en zendt een vervolgens een opgekrikte versie uit.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Het bouwen van quantumversies van deze zogeheten repeaters blijkt echter een fiks stukje lastiger. De wetten van de quantumfysica voorkomen dat je informatie zomaar kunt uitlezen en opnieuw versturen. Quantumsignalen zijn inherent kwetsbaar: zodra je ze meet of kopieert, gaat alle quantuminformatie verloren. Dat is een fijne eigenschap als je geheime informatie wilt versturen – het is de reden dat quantuminternet beschermd is tegen luistervinken – maar het maakt het ook nogal lastig om een quantumversie van zo’n repeater te maken. Onderzoekers kunnen het signaal dan immers niet tussendoor uitlezen en versterken.
In de quantumrepeaters waar onderzoekers nu aan werken, wordt quantuminformatie dan ook niet gekopieerd (dat kan immers niet), maar doorgegeven. ‘De informatie wordt als het ware uitgewisseld tussen twee informatiedragende signalen’, zegt Alexey Tiranov, postdoc-onderzoeker bij UNIGE in Zwitserland. Dit uitwisselen wordt ook wel quantumteleportatie genoemd. ‘Zo kan het signaal toch versterkt worden en grote afstanden afleggen, zonder de quantuminformatie te kopiëren.’
Dubbele bescherming
Het nieuwe materiaal (171Yb3+:YSO) kan dienstdoen als zo’n quantumrepeater. Het ‘spul’ heeft een kristalstructuur met daarin ytterbium-atomen waarin quantuminformatie kan worden opgeslagen. Of, exacter: de quantuminformatie wordt gebonden aan de elektronen in een bepaalde ‘schil’ van de ytterbium-atomen. Elektronen kunnen zich namelijk in verschillende schillen (of energieniveaus) rondom een atoomkern bevinden.
In een ytterbium-atoom zit de informatie in een van de middelste schillen. Daardoor wordt het afgeschermd (en dus beschermd) door de elektronen in de buitenste schillen. ‘Daarnaast ontdekten we dat de informatie nog verder afgeschermd kan worden door een zwak magneetveld aan te brengen’, zegt Tiranov. Dankzij die dubbele bescherming kan de informatie lang genoeg bewaard worden om gegevens uit te wisselen met een andere informatiedrager. Een ideale eigenschap voor een quantumrepeater. Het nieuwe materiaal kan dus superveilige verbindingen over grote afstanden maken.
Het materiaal heeft bovendien nog een voordeel. De elektronenstructuur zorgt ervoor dat je de quantuminformatie in een milliseconde of minder kunt uitwisselen. Zodat je over een paar jaar misschien wel supersnel en veilig kan internetten, mét een beveiligde quantumverbinding.
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder: