Interview Sophie Hermans: Met een quantuminternet kun je Google Maps gebruiken zonder dat Google weet waar je bent

‘Deze kant van de tafel is Bob, de andere kant is Charlie en twee deuren verderop staat Alice”, vertelt Sophie Hermans, die in april promoveerde aan de TU Delft. We zijn net door een zwart gordijn een klein lab in de kelder van het Delftse quantuminstituut QuTech binnengelopen. De tafel staat vol met spiegeltjes, kabels en de diamantchips Bob en Charlie. Rondom en tussen de opstellingen staan zwarte schotten die tijdens de experimenten licht tegenhouden.

 

CV VAN DELFT NAAR CALTECH

Sophie Hermans (29) promoveerde 14 april cum laude op haar onderzoek naar quantumnetwerken bij de TU Delft. Ze zet dit onderzoek voort als postdoctoraal onderzoeker aan de prestigieuze Amerikaanse technische universiteit Caltech (California Institute of Technology). Daar gaat ze aan de slag met een quantumnetwerk met andere qubits dan in Delft.

„Vorig jaar hebben we hier ’s werelds eerste quantumnetwerk opgezet, door Alice en Bob en Bob en Charlie met elkaar te verbinden”, vertelt Hermans. Alice, Bob en Charlie zijn de knooppunten van het netwerk. Ze bestaan elk uit een diamantchip met daarin een ‘foutje’: een plek waar een koolstofatoom is vervangen door een stikstofatoom, met daarnaast een gat waar een koolstofatoom mist. In dit ‘NV-centrum’ zit een extra elektron gevangen dat dienst doet als quantumbit, kortweg qubit.

 

Hermans en haar collega’s hebben het netwerk recent een nieuwe truc geleerd: teleportatie. Daarbij verdwijnt quantuminformatie bij de zender (Charlie) en verschijnt het bij de ontvanger (Alice). Omdat hiervoor geen signaal van Charlie naar Alice hoeft te reizen, kan het signaal niet onderweg verstoord of kwijtraken – wat wel gebeurt als je quantuminformatie door een glasvezel stuurt. Daarom is teleportatie interessant voor een toekomstig quantuminternet. Hermans en collega’s publiceerden de teleportatie-resultaten afgelopen woensdag in Nature.

Het kleinschalige netwerk tussen Bob, Charlie en Alice is daarbij een belangrijke stap naar een groter quantuminternet, dat gegarandeerd veilige verbindingen tot stand kan brengen en toekomstige quantumcomputers aan elkaar kan koppelen. Als iemand probeert onze verbinding af te luisteren, dan maakt diegene de verstrengeling kapot.

 

Wat is een quantumnetwerk?

„Het is een nieuw soort netwerk waarover je quantuminformatie verstuurt. Bij gewone internetverbindingen en computers bestaat de informatie uit bits die 1 óf 0 zijn. Quantuminformatie bestaat uit qubits, die een combinatie van 1 én 0 kunnen zijn. Qubits kun je bovendien verstrengelen. Als twee qubits met elkaar verstrengeld zijn dan kun je ze niet meer los van elkaar zien. Als je ze meet, dan geven ze altijd onmiddellijk hetzelfde antwoord, ongeacht de afstand tussen de twee. Onze qubits kunnen we verstrengelen door met een laser op een NV-centrum te schijnen. De qubit zendt dan lichtdeeltjes uit die we via een glasvezel naar een andere diamantchip kunnen sturen om zo verstrengeling tussen de twee tot stand te brengen.”

 

Wat kan quantuminternet dat gewoon internet niet kan?

„Je kunt het gebruiken voor gegarandeerd veilige communicatie. Als wij een quantumverbinding hebben met verstrengelde qubits en we doen metingen, dan vinden we gecorreleerde meetuitkomsten. Als iemand probeert onze verbinding af te luisteren, dan maakt diegene de verstrengeling kapot. Daardoor verdwijnen die correlaties. Zo zien we het meteen als iemand ons afluistert. Een andere toepassing van verstrengeling is het synchroniseren van atoomklokken, wat bijvoorbeeld gebruikt wordt voor gps-systemen.”

 

Twee qubits verbinden kan al jaren. Waarom lukte een derde toevoegen pas vorig jaar?

„Een derde knooppunt toevoegen is minder makkelijk dan bij een gewoon netwerk omdat je quantuminformatie niet kunt kopiëren en slecht kunt opslaan, omdat qubits fragiel zijn. Ze raken gemakkelijk verstoord. In ons netwerk verbonden we de knooppunten Alice, Bob en Charlie in een lijn. Alice en Charlie hebben daardoor geen directe glasvezelverbinding met elkaar. Als je die wilt verstrengelen, heb je de hulp van Bob nodig. Hiervoor verstrengelen we eerst Alice en Bob. Die verstrengeling slaat Bob op in zijn extra geheugenqubit. Dan verstrengelen we Bob en Charlie. Dat verstrengelen lukt meestal niet in een keer. Elke keer als we het proberen, verstoren we de opgeslagen verstrengeling tussen Alice en Bob’s geheugenqubit een beetje. Als het te lang duurt om Bob en Charlie te verstrengelen, dan is de verstrengeling met Alice verstoord en moeten we opnieuw beginnen. Dat maakt het opzetten van een quantumnetwerk nog lastig en traag.”

Vooralsnog is het gewone internet sneller

 

Toch sprak QuTech in 2014 het plan uit om in 2020 een experimenteel quantuminternet te hebben tussen Delft, Den Haag, Leiden en Amsterdam. Waarom is dat niet gelukt?

„Toen ik begin 2018 begon met mijn promotieonderzoek heerste het idee dat we in vijf maanden een werkend quantumnetwerkje in het lab met drie knooppunten konden bouwen en dan konden starten met metingen. Uiteindelijk heeft dat 2,5 jaar geduurd. Een aantal dingen bleek moeilijker dan gedacht en de coronapandemie hielp niet. Als het goed is komt er dit jaar een quantumverbinding tussen Delft en Den Haag. Het plan is om daarna knooppunten te gaan toevoegen.”

 

Welke stappen zijn er tijdens je promotie gezet?

„In 2020 hadden we eindelijk het netwerk: een verbinding tussen Alice en Charlie via Bob. Alice en Charlie zijn daarbij enkel verbonden via quantumverstrengeling en niet via een fysieke glasvezel. Maar die verbinding was niet goed genoeg om ergens voor te gebruiken. Afgelopen jaar hebben we onderzocht waar de pijnpunten in de opstelling zitten en die zoveel mogelijk verholpen. Zo hebben we de geheugenqubit van Bob verbeterd door die met elektrische pulsen effectiever tegen verstoringen te beschermen. Dankzij die verbeteringen konden we Alice en Charlie verstrengelen en quantuminformatie van Charlie naar Alice teleporteren. Dit quantumnetwerk is wel traag. Het teleporteren lukt maar één keer per twee minuten. Voor een quantuminternet moet dat beter. Persoonlijk denk ik dat er een ander soort qubit nodig is om de volgende stap te zetten. Volgens mij hebben we de afgelopen jaren alles uit de NV-centrum-qubits geperst wat eruit te persen valt.”

 

Hoe ziet de toekomst van het quantuminternet eruit?

„Ik denk dat het een toevoeging wordt, boven op het gewone internet. Je kunt er minder goed informatie mee opslaan dan met gewone computerbits. En vooralsnog is het gewone internet sneller. Voor veilige communicatie zou je bijvoorbeeld encryptiecodes kunnen uitwisselen via het quantuminternet. Daarmee versleutel je dan je bericht dat je verstuurt over het klassieke internet. Je zou het ook kunnen gebruiken om een route te bepalen met Google Maps, zonder dat Google weet waar je bent en waar je heen gaat. Je stuurt dan je locatie en bestemming via het quantuminternet naar de quantum-server van Google die de snelste route berekent en terugstuurt. Als alles via quantuminformatie gaat, dan kan Google op geen enkel moment meekijken. Maar ik denk dat het tientallen jaren zal duren voordat iedereen thuis verbinding kan maken met het quantuminternet.”