QuTech legt quantumlink tussen Delft en Den Haag: ‘Een record’

Een internationaal team onder leiding van prof.dr.ir. Ronald Hanson van QuTech – een samenwerkingsverband tussen de TU Delft en TNO – is erin geslaagd om twee kleine quantumcomputers via een quantumlink te verbinden tussen Delft en Den Haag.

“De afstand waarover we quantumverstrengeling creëren in dit project, via 25 kilometer bestaande ondergrondse glasvezelkabel, is een record voor quantumprocessoren,” zegt Hanson. “Dit is de eerste keer dat quantumprocessoren in verschillende steden met elkaar verbonden zijn.”

Onkraakbaar

De quantumprocessoren zijn in dit geval qubits in diamant die aangestuurd worden met laserpulsen, maar het hadden net zo goed quantumcomputers kunnen zijn. Wanneer het lukt fotonen van beide qubits in een knooppunt halverwege de route met elkaar te verstrengelen, dan zijn daarmee ook de qubits verstrengeld en is er een quantumverbinding tot stand gebracht. De qubits staan daarmee in onmiddellijk en onkraakbaar contact met elkaar.

Een kleine tien jaar geleden haalden Hanson en zijn medewerkers de internationale pers met een quantumverbinding tussen twee qubits op de campus: één in het gebouw van de faculteit Technische Natuurwetenschappen, de ander een kilometer verder bij de onderzoeksreactor. Het knooppunt lag in het midden, in het gebouw van de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica. De onderzoekers toonden aan dat de informatie-uitwisseling tussen de verstrengelde qubits sneller ging dan het licht – iets wat voorheen voor onmogelijk werd gehouden. Niemand minder dan Einstein had dat verklaard.

De natuurkunde, zei Einstein, is gebaseerd op localiteit – het beginsel dat iets alleen beïnvloed wordt door iets in de onmiddellijke omgeving. Interactie op afstand kan nooit sneller gaan dan de lichtsnelheid. Verstrengeling gaat daar tegenin omdat het onmiddellijke interactie op afstand is.

Precisie

Wat is het verschil tussen de verbinding over 1 kilometer tien jaar geleden en nu over 10 kilometer? In elk geval een enorme ontwikkeling in technologie. Lukte het destijds om gemiddeld elk half uur een verstrengeling tot stand te brengen, nu is het over 25 kilometer ondergrondse glasvezel gemiddeld iedere minuut raak. Dat schrijven de promovendi Kian van der Enden en Arjan Stolk in Science Advances. Zij zijn samen met Hanson de hoofdauteurs, twintig anderen schreven mee.

Van den Ende en Stolk leverden met hun glasvezelverbinding een technisch huzarenstukje. Voor een verstrengeling moeten fotonen van beide kanten met dezelfde fase aankomen op het knooppunt. Om dat te bereiken moet de timing van het signaal met zeer grote precisie gestuurd worden. Het gaat om een wegverschil van maximaal 100 nanometer op 25 kilometer glasvezel.

Stolk zegt daarover: “Die uitdaging is vergelijkbaar met het constant houden van de afstand tussen de aarde en de maan, met een nauwkeurigheid van slechts een paar millimeter. Door een combinatie van onderzoeksinzichten en toegepaste engineering konden we deze puzzel oplossen.”

Opschalen

In 2015 was 1 kilometer het maximum dat een qubitfoton kon overbruggen in een glasvezel omdat de kleur (of golflengte) van dat foton niet ver draagt in een glasvezel. Intussen is dat bereik veel groter geworden omdat het qubitfoton wordt omgezet in een lichtdeeltje met een optimale kleur voor de glasvezel. Dat gebeurt met een laser en een kristal en het merkwaardige is dat de quantumeigenschappen bij die omzetting onaangetast blijven. Het enige verschil is een veel groter bereik door de glasvezel. Zonder die omzetting zou 25 kilometer glasvezel niet te overbruggen zijn, vertelt Hanson.

“Nu moet de snelheid omhoog”, zegt Hanson. En daar heeft hij ook plannen voor. “We willen gebruikmaken van een ander soort qubit dat 100 keer minder lichtverlies heeft. Daarnaast gaan we multiplexen. Door een glasvezel kun je duizenden signalen tegelijk laten lopen. Dat gaan we ook doen, in plaats van elke keer één signaal te sturen en te wachten op de bevestiging van de verbinding.”

Maximale privacy

Combineer minder lichtverlies met multiplexen, en het leggen van een verstrengelde verbinding op afstand gaat 100 duizend keer sneller dan nu. Dat moet ook wel: om praktische nut te hebben, moeten quantumsystemen beschikken over tientallen tot honderden functionele qubits.

Als het lukt om die te koppelen betekent dat een enorme vooruitgang in rekenkracht. Want anders dan bij de huidige computers neemt de rekenkracht van quantumcomputers niet lineair toe met het aantal processoren, maar exponentieel. “Dus twee grote quantumcomputers samen (via quantumverbinding) zijn veel krachtiger dan beide apart”, legt Hanson uit in een QuTech video.

Dat is één aspect van het toekomstige quantuminternet, waarmee nu een begin is gemaakt. Het andere is de opslag en verwerking van data in de cloud via onkraakbare verbindingen die maximale privacy garanderen.