Doorbraak in kwantumverstrengeling kan internet onafluisterbaar maken

Wetenschappers van de TU Delft en Oxford University zijn erin geslaagd om sterke verbindingen te bouwen die gebaseerd zijn op het kwantummechanische principe van ‘verstrengeling’. Hiermee kunnen ze op korte termijn kwantumnetwerken bouwen die onmogelijk af te luisteren zijn. De ontdekking werd vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Science.

Veilige communicatie is een van de grootste uitdagingen in dit digitale tijdperk. Over de hele wereld werken wetenschappers aan nieuwe methoden om écht veilige netwerken te realiseren: gebaseerd op de wetten van de kwantummechanica. In zulke netwerken is het fundamenteel onmogelijk om ongemerkt afgeluisterd te worden.

Het maken van sterke verbindingen in deze netwerken, gebaseerd op het krachtige maar kwetsbare principe van kwantumverstrengeling, is echter nog een grote uitdaging. “Verstrengelde elektronen gedragen zich als het ware als één, ongeacht de afstand. Op welke manier je ook naar de elektronen kijkt, ze hebben altijd gedeelde informatie,’ vertelt professor Ronald Hanson (TU Delft). Een meting op het ene deeltje beïnvloedt instantaan een meting op het andere deeltje, zelfs wanneer ze lichtjaren van elkaar gescheiden worden. Einstein geloofde niet in deze ‘spookachtige werking op afstand’, maar in 2015 maakte een uitgekiend experiment in Delft aan de laatste twijfels een einde.

Informatie op twee plekken tegelijk

Wetenschappers zijn nu bezig om verstrengeling in te zetten voor radicaal nieuwe technologie. “De informatie bevindt zich als het ware op beide plekken tegelijkertijd en gevoelige informatie hoeft daardoor geen weg af te leggen”, licht Hanson toe. “We voorzien in de toekomst veilige netwerkverbindingen gebaseerd op verstrengeling”.

De onderzoeksgroep van Ronald Hanson bij onderzoeksinstituut QuTech is beroemd door het realiseren van verbindingen gebaseerd op kwantumverstrengeling. Met behulp van lichtdeeltjes zijn de wetenschappers in staat om de kwantuminformatie te verzenden over macroscopische afstanden: tot ruim een kilometer. De grote kracht ervan: verstrengeling is onzichtbaar voor een tussenpersoon dus de informatie kan niet worden afgeluisterd.

Zoals whisky

De wetenschappers realiseerden die kwantumverstrengeling tussen twee elektronen in twee diamanten. Nu gaan ze een belangrijke stap verder: ze zijn erin geslaagd om van meerdere zwakkere verbindingen één sterke verstrengelingsverbinding te maken.

Hanson legt uit hoe dat werkt. “We slaagden erin om de verstrengelde informatie tijdelijk op te slaan in de kernspins van iedere diamant. Terwijl de informatie veilig was opgeslagen, konden we de elektronen opnieuw verstrengelen. Toen waren er dus twee verbindingen. Door deze op een slimme manier met elkaar te combineren, konden we uit die zwakkere verbindingen één sterkere verstrengelde verbinding halen, een beetje zoals whisky wordt gedistilleerd uit lager-alcoholische basisingrediënten.”

Deze ‘distillatie’ van verstrengeling kan in principe steeds vaker herhaald worden totdat de verbinding de gewenste kracht heeft.

Kwantum-internet

Deze methode opent belangrijke deuren voor het kwantum-internet. “Om zo’n netwerk te realiseren hebben we alles nodig dat het huidige internet ook gebruikt: een geheugen, een processor en verbindingen. Nu laten we zien dat we de kernspins als geheugen kunnen gebruiken, zonder dat deze verstoord worden door nieuwe verbindingen tussen de elektronen – te zien als de processor”, vertelt Norbert Kalb. Hij onderzocht als doctoraatsstudent hoe de verstrengeling kan worden opgeslagen in kernspins tewijl intussen een nieuwe verstrengeling gerealiseerd wordt. De publicatie daarvan verschijnt vandaag in Science