Nederlanders leggen fundament voor kwantuminternet

Nederlandse onderzoekers hebben twee elektronen op drie meter afstand van elkaar in een kwantummechanisch verstrengelde toestand gebracht. Dit resultaat is een grote stap op weg naar een kwantumnetwerk waarmee toekomstige kwantumcomputers met elkaar verbonden kunnen worden, en waarmee informatie volledig veilig verstuurd kan worden door ‘teleportatie’.

Verstrengeling is misschien wel het vreemdste en meest intrigerende gevolg van de wetten van kwantummechanica. Als twee deeltjes verstrengeld zijn, smelten hun identiteiten samen: hun gezamenlijke toestand is exact bepaald, maar de identiteit van elk afzonderlijk is verdwenen. De verstrengelde deeltjes gedragen zich als één, ook als ze ver van elkaar verwijderd zijn. Einstein geloofde deze voorspelling niet en noemde dit ‘spooky action at a distance’, maar experimenten hebben laten zien dat de verstrengeling echt is.

Verstrengelde toestanden zijn interessant voor computers omdat hiermee vele berekeningen tegelijk uitgevoerd kunnen worden. Een kwantumcomputer met 400 rekeneenheden (kwantumbits) kan bijvoorbeeld al meer bits aan informatie tegelijk bewerken dan het aantal atomen in het heelal. De laatste jaren is het al gelukt om kwantumbits binnen een chip met elkaar te verstrengelen. Nu is het voor het eerst gelukt om dat te doen met kwantumbits die op verschillende chips zitten.

Stabiel
De onderzoeksgroep van prof. Ronald Hanson van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft maakt kwantumbits met behulp van elektronen in diamant. ‘We gebruiken diamant, omdat daarin ‘mini-gevangenisjes’ voor elektronen worden gevormd als er een stikstofatoom op de plaats van één van de koolstofatomen zit. Omdat we deze gevangenisjes individueel kunnen bekijken, is het mogelijk om een individueel elektron en zelfs éen atoomkern te bestuderen en te controleren. We kunnen de spin (draairichting) van deze deeltjes in een vooraf bepaalde toestand klaarzetten, die spin controleren en vervolgens ook uitlezen. Dit alles doen we in materiaal waarvan chips gemaakt kunnen worden. Dat is belangrijk want velen geloven dat we alleen chip-based systemen kunnen opschalen naar een praktische technologie’, licht Hanson toe.

Verstrengeling over 3 meter
Hanson en zijn collega’s zijn er, in samenwerking met het Britse bedrijf Element Six, in geslaagd om twee elektronen in verschillende diamanten, op enkele meters afstand van elkaar, in een verstrengelde toestand te brengen. Omdat de twee elektronen elkaar niet direct voelen op deze grote afstand, gebruikten de onderzoekers lichtdeeltjes om de verstrengeling over te brengen.

Om de verstrengeling te bewijzen, werden de spintoestanden van beide elektronen uitgelezen en vergeleken. Hoewel de spinrichting van elk elektron apart volledig willekeurig was, precies zoals de kwantummechanica voorschrijft, bleken de spinrichtingen van de twee elektronen altijd precies tegengesteld te zijn. Dit bewijst dat de twee elektronen verstrengeld zijn en zich als één geheel gedragen. ‘De afstand van drie meter tussen de elektronen is overigens vrij arbitrair gekozen. Dit experiment kunnen we ook over een veel grotere afstand uitvoeren’, voegt Hanson toe.

Teleportatie
De volgende stap in het onderzoek is de teleportatie van elektronen. Hanson: ‘Het is in theorie mogelijk om de toestand van een deeltje over grote afstand te ‘teleporteren’ naar een ander deeltje, door slim gebruik te maken van de verstrengeling. kwantumteleportatie verplaatst níet de materie, maar de toestand daarvan. Maar aangezien alle elementaire deeltjes exact hetzelfde zijn heeft kwantumteleportatie van één elektron naar een ander elektron hetzelfde effect als het verplaatsen van het elektron.’

Veilig informatie versturen
Volgens Hanson zijn er naast nieuw fundamenteel inzicht ook twee redenen waarom de publicatie in Nature van aanzienlijk belang kan zijn voor radicaal nieuwe technologieën. ‘Ten eerste omdat dit een belangrijke stap is naar een kwantumnetwerk voor de communicatie tussen toekomstige supersnelle kwantumcomputers – een kwantuminternet. Wij zijn nu al bezig de experimenten uit te breiden met meer kwantumbits per chip. Door verstrengeling zou zo’n netwerk kwantumcomputers met elkaar kunnen verbinden. Ten tweede biedt teleportatie de mogelijkheid om informatie volledig veilig te versturen. Bij teleportatie reist de informatie niet door de tussenliggende ruimte en kan daarom niet worden afgeluisterd.’

Video: De twee elektronen worden ‘aangeslagen’ door een laserpuls en zenden daarna allebei een foton (lichtdeeltje) uit. De beide fotonen passeren een halfdoorlatende spiegel. Volgens de tegen-intuïtieve wetten van de kwantummechanica zijn de lichtdeeltjes die bij de detectoren aankomen tegelijkertijd zowel van het ene elektron, als van het andere elektron afkomstig. Ze zijn daarmee verstrengeld. Zodra de toestand (‘spin’) van het ene elektron wordt gelezen, is daarmee meteen de toestand van de andere bepaald. Het is enigszins vergelijkbaar met twee munten opgooien in een toss. Bij ‘verstrengelde munten’ is de uitkomst van elke ‘gooi’ apart willekeurig, maar als het ene muntstuk ‘kop’ heeft, is de andere altijd ‘munt’ en vice versa.