Wetenschappers dromen er al lang van om een kwantuminternet te bouwen: een netwerk dat zo veilig is dat de gegevens ervan onbreekbaar zijn. Maar één cruciaal stukje van de puzzel leek onmogelijk: verstrengelde lichtdeeltjes van de aarde naar satellieten in een baan om de aarde sturen. Nu denken onderzoekers dat deze hindernis is genomen.
Verstrengelde fotonen zijn als kleine kosmische tweelingen; het meten van de ene heeft onmiddellijk invloed op de andere, ongeacht hoe ver ze uit elkaar liggen. Deze ‘spookachtige actie op afstand’, zoals Einstein het beroemd noemde, is de sleutel tot het bouwen van onhackbare kwantumcommunicatie. Momenteel kunnen we deze verstrengelde fotonen naar beneden sturen van satellieten naar grondstations, maar men dacht dat het onmogelijk was ze in de tegenovergestelde richting te sturen vanwege signaalinstabiliteit tijdens de reis door de atmosfeer van de aarde.
Een nieuwe studie door een team van de University of Technology Sydney (UTS) zet deze veronderstelling in twijfel. Hun onderzoek toont aan dat het verzenden van kwantumsignalen van de aarde naar de ruimte haalbaar is, waardoor wat voorheen als de grenzen van de natuurkunde werd beschouwd, wordt uitgedaagd.
“We hebben gemodelleerd hoe twee afzonderlijke fotonen, afgevuurd door afzonderlijke grondstations, elkaar op een precieze manier konden ontmoeten met een satelliet die 500 kilometer boven de aarde draait”, legt Simon Devitt uit, een UTS-fysicus die bij het onderzoek betrokken is. “Deze ‘bijeenkomst’ zou kwantuminterferentie veroorzaken.”
Het model hield rekening met talloze uitdagingen uit de echte wereld: atmosferische omstandigheden, strooilicht, zonlichtreflecties van de maan – zelfs onvolkomenheden in de optische apparatuur die werd gebruikt om te richten. Verrassend genoeg lieten de resultaten zien dat een uplink mogelijk is.
Waarom dit ertoe doet: een quantum-internet dichterbij dan we denken
Waarom is deze doorbraak dan zo belangrijk? Stel je een mondiaal netwerk voor dat wordt aangedreven door onhackbare kwantumcommunicatie. Dat is de belofte van een kwantuminternet.
Tegenwoordig genereren satellieten verstrengelde fotonparen en sturen deze naar de aarde. Hoewel het technisch mogelijk is om ze naar boven te sturen, is het veel logischer om dit vanaf grondstations te doen.
Apparatuur op de grond heeft de kracht die nodig is om biljoenen en biljoenen van deze fotonparen per seconde te creëren – veel meer dan wat een satelliet zou kunnen verwerken. Deze verstrengelde fotonen worden vervolgens naar satellieten gestuurd voor distributie over bredere netwerken.
“Een satelliet heeft alleen een compacte optische eenheid nodig om binnenkomende fotonen te interfereren en het resultaat te rapporteren”, legt Devitt uit. “Er is geen complexe, energieverslindende apparatuur nodig om al die fotonen te creëren.” Deze aanpak vermindert zowel de kosten als de omvang drastisch, waardoor de kwantuminternetinfrastructuur praktischer wordt.
Het onderzoek erkent dat dit systeem aanvankelijk het beste ‘s nachts zou functioneren, waarbij interferentie door zonlicht wordt vermeden. Een zorgvuldige kalibratie kan de werking echter gedurende de dag verlengen. Deze beperking is eerder een springplank dan een onoverkomelijk obstakel.
“Toekomstige tests zouden drones of ballonnen als ontvangers kunnen gebruiken”, suggereert Devitt. “We komen dichter bij het maken van kwantumverstrengeling tot een handelswaar zoals elektriciteit – onzichtbaar voor gebruikers, maar de netwerken van morgen aandrijven.”
De ontwikkeling van deze tweerichtings-kwantumcommunicatie opent opwindende mogelijkheden voor veilige datatransmissie en gedistribueerde kwantumcomputers in de toekomst.
