Het internet stelt mensen in staat om wereldwijd informatie (bits) te delen. Een toekomstig quantuminternet zal het mogelijk maken om quantuminformatie (qubits) te delen via een nieuw type netwerk. Zulke qubits kunnen niet alleen de waarden 0 of 1 aannemen, maar ook superposities daarvan (0 en 1 tegelijkertijd). Bovendien kunnen qubits verstrengeld zijn, dat wil zeggen dat ze een quantumverbinding delen die instantane correlaties mogelijk maakt, ongeacht de afstand.

Over de hele wereld werken onderzoekers aan het bouwen van quantumnetwerken die gebruik maken van deze eigenschappen om, naast het huidige internet, fundamenteel nieuwe communicatie- en rekenmogelijkheden te verschaffen. Zo kunnen qubits bijvoorbeeld geheime encryptiesleutels genereren voor het veilig delen van financiële of medische gegevens. Quantumnetwerken kunnen ook quantumcomputers op verschillende plekken met elkaar verbinden, waardoor hun kracht toeneemt en gebruikers toegang kunnen krijgen met volledige privacy.

Het lab uit

Een internationaal team onder leiding van Ronald Hanson van QuTech - een samenwerkingsverband tussen de TU Delft en TNO - is erin geslaagd om twee kleine quantumcomputers te verbinden tussen Delft en Den Haag. “De afstand waarover we quantumverstrengeling creëren in dit project, via 25 km bestaande ondergrondse glasvezelkabel, is een record voor quantumprocessoren,” zegt Hanson. “Dit is de eerste keer dat zulke quantumprocessoren in verschillende steden met elkaar verbonden zijn.” 

Een paar jaar geleden presenteerde het team het eerste multi-node quantumnetwerk in het lab. "We werden geconfronteerd met nieuwe grote uitdagingen toen we van deze laboratoriumexperimenten naar de bouw van een quantumverbinding tussen steden gingen. We moesten een flexibel systeem ontwerpen waarbij de knooppunten onafhankelijk van elkaar kunnen werken over lange afstanden. Ook moesten we de invloed van fotonverlies op de verbindingssnelheid beperken. Tot slot moesten we zorgen voor een betrouwbare ontvangstbevestiging bij elke geslaagde verstrengeling. Zonder deze innovaties zou zo'n grote afstand niet mogelijk zijn geweest.” 

'Alsof je de maan op een constante afstand houdt'

Om de uitdaging van fotonverlies aan te gaan, bracht het team de quantumverbinding tot stand met behulp van een foton-efficiënt protocol dat een hele precieze stabilisatie van de verbindende vezelverbinding vereiste. Co-auteur Arian Stolk legt het uit aan de hand van een analogie: “De verbinding moest stabiel zijn ruim binnen de golflengte van de fotonen (dus kleiner dan een micrometer) over 25 kilometer glasvezel. 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.” 

"In dit werk tonen we succesvolle verstrengeling aan tussen twee quantumnetwerk-knooppunten die spin-qubits in diamant bevatten. De zelfstandig functionerende knooppunten zijn via een glasvezel verbonden door een tussenstation. We waren in staat om op betrouwbare wijze een vooraf gespecificeerde verstrengelde toestand te leveren tussen de knooppunten.” 

Samenwerking tussen wetenschap en industrie

Co-auteur Kian van der Enden legt uit hoe onmisbaar de brede expertise van het team was voor het succes van het project: "Fraunhofer ILT ontwikkelde een kritische component voor deze demonstratie, een nieuw type ‘quantumfrequentieomvormer’. OPNT leverde state-of-the-art timing hardware, Element Six leverde hoogwaardige synthetische diamantmateriaal en Toptica ontwikkelde lasers met een hoge stabiliteit. Tot slot leverde de Nederlandse telecomprovider KPN de glasvezelinfrastructuur en de locaties van de knooppunten, het middelpunt en het knooppunt in Den Haag.” 

Stevige basis voor Europees quantuminternet

Dit resultaat is een mijlpaal dat belangrijke schaaluitdagingen voor toekomstige quantuminternetwerken aanpakt. Jesse Robbers, Directeur Industrie & Digitale Infrastructuur bij Quantum Delta NL, dat het onderzoek  medegefinancierd geeft, voegt toe: “We blijven toonaangevend in de ontwikkeling van het toekomstige fundament van onze digitale infrastructuur en hoe we die toepasbaar maken. Dat is de kern van de nationale en Europese strategie.” 

De architectuur en methoden zijn direct toepasbaar op andere qubit-platformen, inclusief de volgende generatie schaalbare qubits die het team momenteel ontwikkelt. Het succesvolle gebruik van al bestaande, conventionele internetinfrastructuur is het begin van een nieuwe fase op weg naar een praktisch quantuminternet. Hanson: “Dit werk markeert de cruciale stap van het laboratorium naar de relevante toepassingsomgeving. Daardoor is het mogelijk om de werking van de eerste quantumnetwerken op grootstedelijke schaal te gaan verkennen.”