Onderzoekers creëren een 'niet-hackbaar' kwantumnetwerk over honderden kilometers met behulp van glasvezel

0
12

Daphne Leprince-Ringuet

Door Daphne Leprince-Ringuet | 10 juni 2021 — 13:59 GMT (14:59 BST) | Onderwerp: Quantum Computing

Onderzoekers van Toshiba hebben met succes kwantuminformatie over 600 kilometer lange optische vezels verzonden, waardoor een nieuw afstandsrecord is ontstaan ​​en de weg is vrijgemaakt voor grootschalige kwantumnetwerken die kunnen worden gebruikt om veilig informatie uit te wisselen tussen steden en zelfs landen.

De wetenschappers werkten vanuit het R&D-lab van het bedrijf in Cambridge in het VK en toonden aan dat ze kwantumbits (of qubits) over honderden kilometers optische vezels konden verzenden zonder de kwetsbare kwantumgegevens die in de deeltjes, dankzij een nieuwe technologie die de omgevingsfluctuaties in de vezel stabiliseert.

Dit zou een grote bijdrage kunnen leveren aan het creëren van een kwantuminternet van de volgende generatie waarvan wetenschappers hopen dat het ooit wereldwijde afstanden zal overspannen.

Het kwantuminternet, dat de vorm zal aannemen van een wereldwijd netwerk van kwantumapparaten die met elkaar zijn verbonden via langeafstandscommunicatieverbindingen voor kwantumcommunicatie, zal naar verwachting use-cases mogelijk maken die met de huidige webapplicaties onmogelijk zijn. Ze variëren van het genereren van vrijwel niet-hackbare communicatie tot het creëren van clusters van onderling verbonden kwantumapparaten die samen de rekenkracht van klassieke apparaten zouden kunnen overtreffen.

Maar om te kunnen communiceren, moeten kwantumapparaten qubits verzenden en ontvangen – kleine deeltjes die in een speciale, maar uiterst fragiele kwantumtoestand bestaan. Het vinden van de beste manier om qubits te verzenden zonder dat ze uit hun kwantumtoestand vallen, heeft wetenschappers over de hele wereld jarenlang achter hun oren gekrabd.

Eén benadering bestaat uit het neerschieten van qubits door optische vezels die kwantumapparaten met elkaar verbinden. De methode is succesvol geweest, maar is beperkt in omvang: kleine veranderingen in de omgeving, zoals temperatuurschommelingen, zorgen ervoor dat de vezels uitzetten en krimpen, en het risico bestaat dat de qubits gaan knoeien.

Dit is de reden waarom experimenten met optische vezels tot nu toe doorgaans beperkt waren tot een bereik van honderden kilometers; met andere woorden, lang niet genoeg om het grootschalige, wereldwijde kwantuminternet te creëren dat door wetenschappers is bedacht.

Om de instabiele omstandigheden in optische vezels aan te pakken, ontwikkelden Toshiba's onderzoekers een nieuwe techniek genaamd “dual band stabilisation”. De methode stuurt twee signalen met verschillende golflengten door de optische vezel. De eerste golflengte wordt gebruikt om snel variërende fluctuaties op te heffen, terwijl de tweede golflengte, die op dezelfde golflengte ligt als de qubits, wordt gebruikt voor fijnere aanpassingen van de fase.

Simpel gezegd, de twee golflengten combineren omgevingsfluctuaties in de vezel in realtime, waardoor qubits volgens de onderzoekers van Toshiba veilig meer dan 600 kilometer konden reizen.

Het team van het bedrijf heeft de technologie al gebruikt om een ​​van de meest bekende toepassingen van kwantumnetwerken te testen: op kwantum gebaseerde codering.

Het protocol, bekend als Quantum Key Distribution (QKD), maakt gebruik van kwantumnetwerken om beveiligingssleutels te creëren die onmogelijk te hacken zijn, wat betekent dat gebruikers vertrouwelijke informatie, zoals bankafschriften of medische dossiers, veilig kunnen uitwisselen via een niet-vertrouwde communicatiekanaal zoals internet.

Tijdens een communicatie werkt QKD door een van de twee partijen een stuk gegevens te laten coderen door de cryptografiesleutel op qubits te coderen en die qubits naar de andere persoon te verzenden dankzij een kwantumnetwerk. Vanwege de wetten van de kwantummechanica is het echter onmogelijk voor een spion om de qubits te onderscheppen zonder een teken van afluisteren achter te laten dat kan worden gezien door de gebruikers – die op hun beurt stappen kunnen ondernemen om de informatie te beschermen.

In tegenstelling tot klassieke cryptografie vertrouwt QKD daarom niet op de wiskundige complexiteit van het oplossen van beveiligingssleutels, maar maakt het eerder gebruik van de wetten van de fysica. Dit betekent dat zelfs de krachtigste computers de op qubits gebaseerde sleutels niet zouden kunnen hacken. Het is gemakkelijk te begrijpen waarom het idee de aandacht trekt van spelers uit alle delen, van financiële instellingen tot inlichtingendiensten.

Toshiba's nieuwe techniek om fluctuaties in optische vezels te verminderen, stelde de onderzoekers in staat QKD uit te voeren over een veel grotere afstand dan voorheen mogelijk was. “Dit is een zeer opwindend resultaat”, zegt Mirko Pittaluga, onderzoekswetenschapper bij Toshiba Europe. “Met de nieuwe technieken die we hebben ontwikkeld, zijn verdere uitbreidingen van de communicatieafstand voor QKD nog steeds mogelijk en kunnen onze oplossingen ook worden toegepast op andere kwantumcommunicatieprotocollen en -toepassingen.”

Als het gaat om het uitvoeren van QKD met behulp van glasvezel, is Toshiba's 600-kilometermarkering een recordbreker, waarvan het bedrijf voorspelt dat het veilige verbindingen tot stand zal brengen tussen steden als Londen, Parijs, Brussel, Amsterdam en Dublin.

Andere onderzoeksgroepen hebben zich echter gericht op verschillende methoden om qubits te verzenden, waardoor QKD over nog grotere afstanden kan plaatsvinden. Chinese wetenschappers gebruiken bijvoorbeeld een mix van op satellieten gebaseerde transmissies die communiceren met optische vezels op de grond, en zijn er onlangs in geslaagd QKD uit te voeren over een totale afstand van 4.600 kilometer.

Elke aanpak heeft zijn voor- en nadelen: het gebruik van satelliettechnologieën is duurder en kan moeilijker op te schalen zijn. Maar één ding is zeker: onderzoeksgroepen in het VK, China en de VS experimenteren in hoog tempo om kwantumnetwerken werkelijkheid te laten worden.

Toshiba's onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door de EU, die grote interesse toont in de ontwikkeling van kwantumcommunicatie. Ondertussen kent China's nieuwste vijfjarenplan ook een speciale plaats toe voor kwantumnetwerken; en de VS publiceerden onlangs een blauwdruk met een stapsgewijze ontwikkeling naar de oprichting van een wereldwijd kwantuminternet.

Verwante onderwerpen:

Beveiliging Daphne Leprince-Ringuet

Door Daphne Leprince-Ringuet | 10 juni 2021 — 13:59 GMT (14:59 BST) | Onderwerp: Quantum Computing

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here