21 oktober 2018

Een toekomstig quantum-internet biedt een breed scala aan toepassingen

Een team aan de TU Delft is bezig met het bouwen van het een quantum-netwerk, dat vier steden in Nederland met elkaar zal gaan verbinden. Het project, dat een  quantum-versie zou kunnen zijn van ARPANET, een communicatienetwerk dat  werd ontwikkeld door het Amerikaanse leger en dat de weg  plaveide voor het internet van vandaag, biedt een scala aan toepassingen waaronder  ultrascherpe telescopen met behulp van wijd uit elkaar staande observatoria.

Quantum Internet credits; Fossbytes

In een recent artikel van Nature dat de werkzaamheden van theoretisch fysicus Stephanie Wehner  aan de TU Delft toelicht en dat handelt over het quantum-internet waar zij, samen met  een  team informatici, wis- en natuurkundigen, mee bezig is te realiseren wordt duidelijk dat ‘hack-proof’ quantumcommunicatie  het uiteindelijk streefdoel is. Wehner, een netwerk-veiligheidsspecialist begon reeds op  15-jarige leeftijd met hacken en ging via Amsterdam waar ze werkte als veiligheidsspecialist en later ook een academische graad haalde in de theoretische fysica, werken in het QuTech lab aan de TU Delft. Wehner  stelt dat in meer brede zin het quantum-internet  in de toekomst nog voor een groot scala aan toepassingen te gebruiken zal zijn.

Het vermogen van quantumdeeltjes om in ongedefinieerde staten te leven – zoals de spreekwoordelijke kat van Schrödinger, zowel levend als dood – wordt al jaren gebruikt om gegevensversleuteling te verbeteren. Maar Wehner, beweert dat zo’n quantum-internet een breed scala aan toepassingen zou kunnen bieden die niet mogelijk zijn met klassieke communicatiemiddelen, zoals het bouwen van ultrascherpe telescopen met behulp van wijd uit elkaar staande observatoria; en  nieuwe manieren om zwaartekrachtsgolven te detecteren. Het Delftse team is reeds  begonnen met het bouwen van het eerste echte quantum-netwerk, dat vier steden in Nederland met elkaar moet gaan verbinden. Het project, dat men hoopt af te ronden en in werking te stellen  in 2020, zou de quantum versie kunnen zijn van ARPANET, een communicatienetwerk dat eind jaren zestig werd ontwikkeld door het Amerikaanse leger en dat de weg plaveide voor het internet van vandaag. Wehner coördineert ook een groter Europees project, de Quantum Internet Alliance genaamd, dat tot doel heeft het Nederlandse experiment uit te breiden naar een continentale schaal. Als onderdeel van dat proces proberen zij en haar collega’s  computerwetenschappers, ingenieurs en netwerkbeveiligingsdeskundigen bij elkaar te brengen om het toekomstige quantum-internet te helpen ontwerpen.  

Nature’s artikel gaat  kort in op de historie voor het gebruik van  quantummodi voor communicatie met aandacht voor de natuurkundige  Stephen Wiesner, hij  zag in de jaren ’80 mogelijkheden in een van de meest fundamentele principes van de quantummechanica; dat het onmogelijk is om een eigenschap van een systeem te meten zonder het te veranderen. Wiesner suggereerde dat informatie gecodeerd kon worden in de toestanden van objecten zoals geïsoleerde atomen, waarvan de ‘spins’ naar boven of beneden kunnen wijzen – zoals de 0 en 1 van klassieke bits – maar ook in beide toestanden tegelijk kunnen zijn. Dergelijke eenheden van quantuminformatie worden nu qubits genoemd. Wiesner wees erop dat, omdat de eigenschappen van een qubit niet kunnen worden gemeten zonder de status ervan te veranderen, het ook onmogelijk is om exacte kopieën of ‘klonen’ van één qubit (1) te maken. Anders zou iemand informatie over de staat van de originele qubit kunnen extraheren zonder het te beïnvloeden, gewoon door de kloon te meten. Dit verbod werd later bekend als quantum no-cloning en het blijkt een zegen voor de veiligheid te zijn, omdat een hacker geen quantuminformatie kan extraheren zonder een spoor achter te laten.

Het artikel gaat verder met Charles Bennett, IBM, en  Gilles Brassard, Universiteit van Montreal, zij kwamen met een ingenieus plan waarmee twee gebruikers een onbreekbare coderingssleutel gebruiken die alleen zij kennen (2). Vertrouwend op de veiligheid van de sleutel, kunnen de twee partijen elk bericht dat bestaat uit klassieke bits – bijvoorbeeld een afbeelding – door elkaar gooien en het net zo verzenden als elk ander gecodeerd bericht via het conventionele internet of een ander kanaal. In 1989 leidde Bennett het team dat deze ‘quantum key distribution’ (QKD) voor het eerst experimenteel demonstreerde (3). Tegenwoordig zijn QKD-apparaten die soortgelijke schema’s gebruiken commercieel verkrijgbaar en worden ze meestal verkocht aan financiële of overheidsorganisaties. ID Quantique, bijvoorbeeld, heeft een bedrijf opgericht in 2001 in Genève, Zwitserland, en een quantumlink gebouwd die de resultaten van Zwitserse verkiezingen al meer dan tien jaar beschermt. Vorig jaar maakte de Chinese satelliet Micius,  enkele van de meest flitsende demonstraties van de aanpak.(4).

Micius Chinese quantum satelliet credits; Geekwire

Satellieten zoals Micius kunnen een oplossing bieden voor een van de belangrijkste uitdagingen bij het beveiligen van de quantumcommunicatie van vandaag: afstand. De fotonen die nodig zijn om een coderingssleutel te maken, kunnen worden geabsorbeerd door de atmosfeer of – in het geval van grondnetwerken – door een optische vezel, die quantumtransmissie ongeschikt maakt na enkele tientallen kilometers.

 

Quantum repeaters, apparaten die zijn voorgesteld voor het transporteren van versleutelde informatie, kunnen helpen bij het verzamelen van licht van verre telescopen in grootschalige arrays

Grote telescooparrays hebben een hoog oplossend vermogen omdat er licht wordt verzameld van verschillende telescopen en vergeleken met behulp van interferometrietechnieken. Het ontwerpen van optische en infrarode arrays met de telescopen verder uit elkaar zou astronomen een hoger resolutietool geven om planeten buiten ons zonnestelsel en sterren met meer detail af te beelden. Hoe groter de afstand die het licht moet maken om van elke telescoop naar de interferometer te gaan, hoe moeilijker het is om te zorgen dat het geen faseschommeling of verzwakking over zijn pad ondervindt, wat de huidige optische en infrarode telescooparrays beperkt tot scheidingen van een paar honderd meter. In Physical Review Letters stellen Daniel Gottesman van het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada en zijn collega’s voor dat toekomstige ontwerpen van telescooparrays kunnen profiteren van kwantumgereedschappen. Ze suggereren het transport van licht van de telescopen naar de interferometer met behulp van quantum-repeaters-apparaten, die in principe verstrengelde fotonen kunnen gebruiken om quantumtoestanden met grote precisie over zeer lange afstanden uit te zenden. De huidige quantum-repeatertechnologie is op maat gemaakt voor kwantumcommunicatie en kan de hoge fotonensnelheid en bandbreedte van het door telescopen verzamelde licht niet accommoderen. Gottesman et al. hebben de vereisten geschetst voor het gebruik van kwantumversterkers in telescoopinterferometers en stellen dat het de moeite waard is om deze kwantumtoestellen te ontwikkelen gezien de nieuwe astronomische inzichten die grotere telescooparrays zouden toelaten

Onderzoekers hebben een hele reeks andere voorstellen voor internettoepassingen bedacht – zoals veilingen, verkiezingen, contractonderhandelingen – die quantumverschijnselen sneller of veiliger zouden kunnen gebruiken dan hun klassieke tegenhangers. Maar de grootste impact van een quantum-internet zou op de wetenschap zelf kunnen liggen. Het synchroniseren van klokken met behulp van verstrengeling kan de nauwkeurigheid van Global Positioning System type navigatienetwerken van meters naar millimeters verbeteren, zeggen onderzoekers. Wetenschappers hebben ook voorgesteld verstrengeling te gebruiken om verre atoomklokken te combineren tot een enkele klok met een enorm verbeterde precisie, wat volgens hem zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om gravitatiegolven te detecteren, en bijvoorbeeld. In de astronomie kunnen quantumnetwerken verre optische telescopen over duizenden kilometers verbinden, om ze effectief de resolutie te geven van één schotel die dezelfde afstand beslaat. Dit proces, dat zeer lange basislijninterferometrie wordt genoemd, wordt routinematig toegepast in de radioastronomie, maar voor het werken met optische frequenties is nauwkeurigheid van de timing vereist die momenteel buiten bereik is. Bronnen; Nature, QuTech, Quantum Internet Alliance

https://www.nature.com/articles/d41586-018-01835-3

Google Scholar;

1.Wiesner, S. SIGACT News 15, 78–88 (1983).

2.Bennett, C. H. & Brassard, G. Proc. IEEE Int. Conf. Comput. Syst. Signal Process. 1, 175–179 (1984).

3..Bennett, C. H. & Brassard, G. SIGACT News 20, 78–80 (1989).

4. https://www.astroblogs.nl/2017/10/31/chinas-vlucht-voorwaarts-in-de-quantum-space-race/

 

 

 

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.