Onderzoekers van het Niels Bohr Instituut van de Universiteit van Kopenhagen hebben een nieuwe manier ontwikkeld om kwantumgeheugen te creëren: een kleine trommel kan gegevens opslaan die met licht worden verzonden in zijn sonische trillingen, en deze gegevens vervolgens doorsturen met nieuwe lichtbronnen wanneer dat weer nodig is. De resultaten tonen aan dat mechanisch geheugen voor kwantumdata de strategie zou kunnen zijn die de weg vrijmaakt voor een ultraveilig internet met ongelooflijke snelheden.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.
Net onder het oude kantoor van Niels Bohr bevindt zich een kelder waar verspreide tafels bedekt zijn met kleine spiegels, lasers en een agglomeratie van allerlei soorten apparaten die met elkaar verbonden zijn door netwerken van draden en hopen tape. Het lijkt erop dat een kinderproject te ver is gegaan, een project dat hun ouders tevergeefs hebben geprobeerd om ze op te ruimen.
Hoewel het voor het ongetrainde oog moeilijk is om te onderscheiden dat deze tabellen feitelijk de thuisbasis zijn van een reeks toonaangevende onderzoeksprojecten, gebeuren de belangrijkste dingen in werelden die zo klein zijn dat zelfs de wetten van Newton niet van toepassing zijn. Dit is waar de kwantumfysische erfgenamen van Niels Bohr de meest geavanceerde kwantumtechnologieën ontwikkelen.
Een van deze projecten valt op – althans voor natuurkundigen – door het feit dat een apparaat dat met het blote oog zichtbaar is, kwantumtoestanden kan bereiken. De kwantumdrum is een klein membraan gemaakt van keramisch, glasachtig materiaal met gaten verspreid in een netjes patroon langs de randen.
Wanneer er met het licht van een laser op de trommel wordt geslagen, begint deze te trillen, en dat gebeurt zo snel en zonder interferentie dat de kwantummechanica een rol gaat spelen. Deze eigenschap heeft al lang voor opschudding gezorgd door een aantal kwantumtechnologische mogelijkheden te openen.
Nu heeft een samenwerking tussen verschillende kwantumgebieden binnen het Instituut aangetoond dat de trommel ook een sleutelrol kan spelen voor het toekomstige netwerk van kwantumcomputers. Net als moderne alchemisten hebben onderzoekers een nieuwe vorm van ‘kwantumgeheugen’ gecreëerd door lichtsignalen om te zetten in sonische trillingen.
In hun zojuist gepubliceerde onderzoeksartikel hebben de onderzoekers bewezen dat kwantumgegevens van een kwantumcomputer die worden uitgezonden als lichtsignalen – bijvoorbeeld via het type glasvezelkabel dat al wordt gebruikt voor snelle internetverbindingen – kunnen worden opgeslagen als trillingen in de trommel en vervolgens doorgestuurd.
Eerdere experimenten hadden onderzoekers aangetoond dat het membraan in een anderszins kwetsbare kwantumtoestand kan blijven. Op basis hiervan zijn ze van mening dat de trommel kwantumgegevens moet kunnen ontvangen en verzenden zonder dat deze ‘decohereert’, dat wil zeggen dat hij zijn kwantumtoestand verliest wanneer de kwantumcomputers gereed zijn.
“Dit opent geweldige perspectieven voor de dag waarop kwantumcomputers echt kunnen doen wat we van ze verwachten. Kwantumgeheugen is waarschijnlijk van fundamenteel belang voor het verzenden van kwantuminformatie over afstanden. Wat we hebben ontwikkeld is dus een cruciaal onderdeel van de basis voor een internet van de toekomst met kwantumsnelheid en kwantumbeveiliging”, zegt postdoc Mads Bjerregaard Kristensen van het Niels Bohr Instituut, hoofdauteur van het nieuwe onderzoeksartikel.
Ultrasnel, ultraveilig
Bij het overbrengen van informatie tussen twee kwantumcomputers over een afstand – of tussen vele computers in een kwantuminternet – zal het signaal snel worden overstemd door ruis. De hoeveelheid ruis in een glasvezelkabel neemt exponentieel toe naarmate de kabel langer is. Uiteindelijk kunnen gegevens niet meer worden gedecodeerd.
Het klassieke internet en andere grote computernetwerken lossen dit ruisprobleem op door signalen in kleine stations langs transmissieroutes te versterken. Maar voordat kwantumcomputers een analoge methode kunnen toepassen, moeten ze de gegevens eerst vertalen naar gewone binaire getalsystemen, zoals die welke door een gewone computer worden gebruikt.
Dit zal niet werken. Dit zou het netwerk vertragen en kwetsbaar maken voor cyberaanvallen, aangezien de kans dat klassieke gegevensbescherming effectief zal zijn in een kwantumcomputertoekomst zeer klein is.
“In plaats daarvan hopen we dat de kwantumdrum deze taak op zich kan nemen. Het is veelbelovend gebleken omdat het ongelooflijk geschikt is voor het ontvangen en opnieuw verzenden van signalen van een kwantumcomputer. Het doel is dus om de verbinding tussen kwantumcomputers uit te breiden via stations waar kwantumdrums signalen ontvangen en opnieuw uitzenden, en daarbij ruis te vermijden terwijl de gegevens in een kwantumtoestand blijven”, zegt Kristensen.
“Hierdoor zullen de snelheden en voordelen van kwantumcomputers, bijvoorbeeld met betrekking tot bepaalde complexe berekeningen, zich uitstrekken over netwerken en het internet, omdat ze zullen worden bereikt door eigenschappen als superpositie en verstrengeling te exploiteren die uniek zijn voor kwantumtoestanden.”
Als dit lukt, kunnen de stations ook kwantumbeveiligde verbindingen uitbreiden, waarvan de kwantumcodes ook door de trommel kunnen worden verlengd. Deze veilige signalen kunnen over verschillende afstanden worden verzonden – rond een kwantumnetwerk of over de Atlantische Oceaan – in het kwantuminternet van de toekomst.
Flexibel, praktisch en mogelijk baanbrekend als quantum RAM
Elders wordt onderzoek gedaan naar een alternatief waarbij een gegevensdragende lichtbron op een atomair systeem wordt gericht en tijdelijk de elektronen in het atoom verschuift, maar de methode kent zijn beperkingen.
“Er zijn grenzen aan wat je kunt doen met een atomair systeem, omdat we geen atomen kunnen ontwerpen of de frequentie van het licht waarmee ze op onszelf kunnen reageren. Ons relatief 'grote' mechanische systeem zorgt voor meer flexibiliteit. We kunnen sleutelen en aanpassen, zodat als nieuwe ontdekkingen de spelregels veranderen, de kans groot is dat de kwantumdrum kan worden aangepast”, legt professor Albert Schliesser, co-auteur van het onderzoeksartikel, uit.
“Of het nu goed of slecht is, het zijn vooral onze capaciteiten als onderzoekers die de grenzen bepalen van hoe goed het allemaal werkt”, benadrukt hij.
De drum is de nieuwste en meest serieuze variant op mechanisch kwantumgeheugen, omdat hij een aantal eigenschappen combineert: De drum heeft weinig signaalverlies, dat wil zeggen dat de sterkte van het datasignaal goed behouden blijft. Het heeft ook het enorme voordeel dat het alle lichtfrequenties kan verwerken, inclusief de frequentie die wordt gebruikt in de glasvezellichtkabels waarop het moderne internet is gebouwd.
De kwantumdrum is ook handig omdat gegevens kunnen worden opgeslagen en gelezen wanneer dat nodig is. En de recordlange geheugentijd van 23 milliseconden die onderzoekers al hebben bereikt, maakt het veel waarschijnlijker dat de technologie kan op een dag een bouwsteen worden voor systemen van kwantumnetwerken en voor de hardware in kwantumcomputers.
“We zijn er vroeg bij met dit onderzoek. Kwantumcomputing en communicatie bevinden zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium, maar met het geheugen dat we hebben verkregen, kan men speculeren dat de kwantumdrum op een dag zal worden gebruikt als een soort kwantum-RAM, een soort tijdelijk werkgeheugen voor kwantuminformatie. . En dat zou baanbrekend zijn”, zegt de hoogleraar.