Het internet van de toekomst bestaat niet uit enen en nullen, maar quantum bits. ‘We gaan Netflix niet vervangen.’
Mei 2023. Dr. Benjamin Lanyon van de universiteit van Innsbruck zet een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van een nieuw soort internet: met behulp van de beginselen van de quantumfysica slaagt hij erin om informatie door een vijftig kilometer lange glasvezelkabel te verzenden.
Data-eenheden van het huidige wereldwijde web bestaan uit binaire getallen. Informatie in de quantumfysica werkt anders. Die draait om de eigenschappen van en interacties tussen moleculen, atomen en zelfs kleinere deeltjes, zoals elektronen en fotonen.
Deeltjeskracht
Met behulp van quantum bits, of 'qubits', is het mogelijk om informatie veiliger te verzenden. De deeltjes veranderen namelijk wanneer ze worden geobserveerd en gemeten. Dat wil zeggen dat niemand onopgemerkt kan afluisteren.
Lanyons doorbraak was onderdeel van een Europees onderzoeksproject om quantuminternet mogelijk te maken. Volgens Lanyon kan dat al binnen steden. De volgende stap bestaat uit het faciliteren van langere afstanden tussen steden.
‘Het quantuminternet zal het traditionele internet niet vervangen, maar ermee samenwerken’
Het project, de Quantum Internet Alliance of QIA, brengt onderzoeksinstellingen en bedrijven uit heel Europa bij elkaar. Het initiatief ontvangt gedurende 3,5 jaar, tot eind maart 2026, 24 miljoen euro subsidie van de EU.
‘Het is niet bedoeld om het traditionele internet te vervangen, maar om ermee samen te werken’, aldus Stephanie Wehner, professor quantuminformatica aan de Technische Universiteit Delft en coördinator van de QIA. ‘We gaan Netflix niet vervangen.’
Een belangrijk concept in de quantumfysica is verstrengeling. Als twee deeltjes met elkaar verstrengeld zijn, hebben ze dezelfde eigenschappen, hoe ver ze ruimtelijk ook van elkaar zijn verwijderd. Ze hebben dan bijvoorbeeld dezelfde mate van 'draaiing', een quantumversie van de richting waarin de deeltjes draaien.
De draaiingstoestand van de deeltjes wordt pas duidelijk als ze worden geobserveerd. Tot dat observatiemoment hebben ze meerdere toestanden. Dit wordt superpositie genoemd. Als één deeltje wordt waargenomen, is de toestand van beide deeltjes duidelijk.
Een scala aan mogelijkheden
Dit is nuttig voor veilige communicatie. Als iemand een quantumoverdracht probeert te hacken, zou daar een duidelijk spoor van achterblijven, omdat het de toestand van een geobserveerd deeltje zou veranderen.
‘We kunnen de eigenschappen van quantumverstrengeling gebruiken om een veilig communicatiemiddel te ontwikkelen. Die communicatie is zelfs veilig is als de aanvaller een quantumcomputer gebruikt’, aldus Wehner.
De veilige communicatie die quantuminternet biedt, zou een scala aan toepassingen mogelijk maken die de beperkingen van het traditionele internet ver overstijgen. Zo kan de fysica van verstrengeling in de geneeskunde dienen om een kloksynchronisatieniveau te bereiken dat chirurgie op afstand kan verbeteren.
Quantumcomputers zullen de encryptie die we nu gebruiken waarschijnlijk kunnen kraken
Astronomie is een ander onderzoeksgebied dat er baat bij kan hebben. Telescopen zouden ‘quantuminternet kunnen gebruiken om sensoren met elkaar te verstrengelen en een veel beter beeld van de hemel te creëren’, zegt Wehner.
Ook geldautomaten kunnen toegerust worden met quantuminternet. Als een geldautomaat vastloopt terwijl iemand geld aan het opnemen is kan de machine er momenteel van uitgaan dat er geen geld is verstrekt, terwijl een andere geldautomaat een geldopname registreert. Quantuminternet zou dit verschil kunnen wegnemen.
Wanneer de technologie van het quantuminternet daadwerkelijk is ontwikkeld, zal duidelijk worden welke toepassingen nog meer mogelijk zijn. ‘De technologie biedt een breed scala aan nieuwe mogelijkheden voor nauwkeurige metingen van ruimte en tijd en de bestudering van de aarde en het universum’, zegt Lanyon.
Afstandstest
De uitdaging is nu om quantuminternet op te schalen, zodat we het over langere afstanden kunnen gebruiken.
Lanyon en zijn team hebben niet alleen communicatie tussen twee enkele deeltjes gerealiseerd, maar ook ‘rijen’ van deeltjes (in dit geval lichtdeeltjes, oftewel fotonen) die ervoor zorgen dat quantumknooppunten zich sneller verstrengelen.
‘Als je maar één foton tegelijk uitstuurt, moet je wachten tot het zijn reis heeft voltooid’, zei hij. ‘Maar als je veel fotonen tegelijk kunt versturen, kun je de verstrengelingssnelheid tussen twee quantumknooppunten vergroten voor de gewenste afstanden.’
Het doel is om de afstanden tussen de quantumknooppunten te vergroten, misschien tot wel vijfhonderd kilometer. Ook wil men een prototype van een quantuminternet creëren dat verafgelegen steden kan verbinden, net zoals het traditionele internet uit een wereldwijd web van verschillende knooppunten bestaat.
Hoewel het quantuminternet al in 2029 voor gespecialiseerde toepassingen zou kunnen bestaan, zijn experts voorzichtig met schattingen over wanneer een volledige versie voor diverse toepassingen beschikbaar zal zijn. ‘Dat is moeilijk te zeggen’, zei Wehner.
Terwijl de QIA de onderdelen en systemen van het quantuminternet ontwikkelt, is Europa zelf bezig met de ontwikkeling van quantumcomputers.
Een publiek-privaat partnerschap van de EU, de European High Performance Computing Joint Undertaking, maakte in juni 2023 bekend dat zes landen in Europa over quantumcomputers zullen beschikken. Het gaat om Tsjechië, Frankrijk, Duitsland, Italië, Polen en Spanje.
Zo moet Europa koploper worden in de quantumrevolutie. Naar verwachting zullen quantumcomputers over ongekende rekenkracht beschikken en voor veel toepassingen geschikt zijn, zoals het kraken van de cryptografische algoritmen waarmee de meeste communicatie op het huidige internet wordt beveiligd.
Grote concurrentie
De verwachting is dat de helft van de meestgebruikte versleutelingssystemen tegen het einde van het decennium zijn gekraakt. Daarom is Europa lang niet de enige geïnteresseerde partij. China en de VS hebben de afgelopen jaren vooruitgang geboekt op dit gebied.
Wat betreft infrastructuur zet Europa nog andere stappen. Het ontwikkelt een geïntegreerde ruimte-aarde-infrastructuur voor veilige communicatie, een soort hoeksteen voor het quantuminternet. ‘Ik ben er erg trots op dat wij op veel gebieden aan kop lopen’, zei Wehner.
Hoewel er in alle geïnteresseerde landen nog veel werk te doen is, zullen de potentiële voordelen binnen afzienbare tijd tot verdere ontwikkelingen en doorbraken leiden. ‘Er worden op hoog tempo nieuwe toepassingen voor quantumnetwerken ontwikkeld’, aldus Lanyon.
Onderzoek in dit artikel is gefinancierd door de EU.
Meer informatie
Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd in Horizon, het tijdschrift voor onderzoek en innovatie in de EU.
