Nadenken over het quantuminternet

Quantumcomputers verdienen een quantuminternet. Dit is een netwerk dat informatie niet in de vorm van bits – nullen en enen – verstuurt, maar als qubits, net als in de quantumcomputer zelf. In de visie van Dirk Bouwmeester, hoogleraar verbonden aan de Leidse onderzoeksgroep Quantum Matter & Optics, zal een cloud van goedkope mini-satellieten dit netwerk over de hele wereld gaan uitrollen. Dit netwerk maakt het onder meer mogelijk om boodschappen absoluut veilig te versturen.

Geen twijfel meer

'De quantumcomputer komt er, 100 procent zeker', zegt Dirk Bouwmeester. Een paar jaar geleden zou hij dit nog niet zo stellig gezegd hebben, maar sindsdien zijn er zoveel technische doorbraken geweest, dat bij hem de twijfel verdwenen is. Het eerste prototype zou zelfs al over een jaar of vijf gebouwd kunnen zijn. Bouwmeester won in 2014 een Spinoza-premie, de hoogste wetenschappelijke onderscheiding in Nederland, voor zijn onderzoeksprogramma naar de uiterste consequenties van de quantumtheorie. Hij is ook nauw betrokken bij het onderzoek aan 'kunstmatige atomen' die door middel van infraroodfotonen communiceren.

Een qubit kan je niet versterken

Ditzelfde principe wil hij benutten om twee quantumcomputers over grote afstanden aan elkaar te koppelen. Als die door middel van qubits met elkaar kunnen communiceren, ontstaat een quantuminternet dat de mogelijkheden van de quantumcomputer naar een heel nieuw niveau zal tillen, net als het internet heeft gedaan met de klassieke computer.  Het quantuminternet zal het huidige internet niet overbodig maken, maar daar een aanvulling op zijn.

Computers communiceren nu met lichtsignalen via glasvezels. Zo'n lichtsignaal is een soort morse-code: aan-uit, aan-uit, wat overeenkomt met de waarde 0 of 1 van een bit. Over grote afstanden, bijvoorbeeld van Europa naar de VS, moeten er regelmatig versterkers in de glasvezelkabel zitten, omdat het signaal anders te veel uitdooft. Zo'n versterker meet de opeenvolging van nullen en enen, en stuurt die versterkt weer door.
Maar met qubits kan dit niet. Zodra je de waarde van een qubit meet, komt daar 0 of 1 uit, en is de qubit geen mix meer van 0 en 1 tegelijk, maar gewoon een bit. Om quantumcomputers in hun eigen taal te laten communiceren, is een quantum repeater nodig.

Keten van kunstmatige atomen

Een quantum repeater is heel wat ingewikkelder dan een glasvezel met versterkers. Het komt er op neer, dat tussen twee quantumcomputers een keten van tussenstations komt. Elk tussenstation zendt naar zijn linker- en rechterbuurstation  paren fotonen uit die met elkaar verstrengeld zijn. Die worden ingevangen door een kunstmatig atoom in het buurstation en vervolgens dusdanig uitgelezen dat er  quantumverstrengeling ontstaat tussen steeds verder uit elkaar gelegen stations, totdat de gehele afstand is overbrugd. Het uiteindelijke resultaat is dat je de quantuminformatie die in de qubit aan het ene uiteinde van de keten zat kan teleporteren naar het andere uiteinde, zonder enige verstoring of uitdoving.

Mini-satellietjes

Het ligt voor de hand om dit niet meer via glasfibers te doen, maar via satellieten. Een voormalig promovendus van Bouwmeester, William Marshall heeft een bedrijf (Planet Labs) opgericht dat een groot aantal minisatellieten in de ruimte heeft voor het maken van beeld opname van de gehele aarde. Een dergelijke cloud van optische mini-satellietjes, elk niet zwaarder dan een kilogram, zou de aarde met een netwerk van quantum-repeaters kunnen omhullen.

Het gewone internet zal ook blijven bestaan, er is geen reden om facebook en dagelijkse e-mail via het quantuminternet te versturen. Maar met het quantuminternet kun je meerdere quantumcomputers samenvoegen tot een nog krachtiger apparaat, en je kunt er gecodeerde boodschappen mee uitwisselen die absoluut veilig zijn, omdat je het meteen merkt als iemand probeert het signaal af te luisteren. Dit laatste thema heet quantumgeheimschrift en is nu al in een vergevorderd stadium van ontwikkeling.

Fundamenteel onderzoek

Naast het ontwikkelen van elementen voor een quantuminternet is Bouwmeester op zoek naar fundamentele beperkingen aan de vorming van quantumverstrengeling. Er is nog veel onbekend over de hoe de quantumtheorie doorwerkt in de evolutie van het heelal en het leven zoals wij dat ervaren. Het is lang niet uitgesloten dat bijvoorbeeld zwaartekracht een rol speelt in de overgang van de quantum wetmatigheden naar de klassieke wetmatigheden voor grootschalige voorwerpen. Om de experimenten die dit thema bestuderen verder te ontwikkelen, is een uitbreiding naar optische experimenten in de ruimte wellicht noodzakelijk. Dit zal in de nabije toekomst het onderzoek aan het quantuminternet, quantumgeheimschrift en grootschalige quantumeffecten met elkaar combineren.

'Waar ik op wil inzetten, is onderzoek dat technisch enorm moeilijk is voor een universiteit. Maar dankzij de gecombineerde expertise van mijn onderzoeksgroep in Santa Barbara op het gebied van halfgeleiderfabricage, en mijn groep in Leiden op het gebied van quantumoptica, zijn we in een unieke positie om dit tot een succes te maken.'

Een promotiefilmpje van het bedrijf Planet Labs. Een soortgelijk netwerk van minisatellieten, elk niet zwaarder dan een kilogram, zou de aarde met een netwerk van quantum-repeaters kunnen omhullen.