Het internet, wie kent het niet? Superhandig om informatie uit te wisselen of om iets op te zoeken. Het internet zou je kunnen zien als een digitale snelweg die computers overal ter wereld met elkaar verbindt.
Informatie-uitwisseling over deze digitale snelweg gaat met nullen en enen – bits – die over de digitale snelweg razen. Zo kun je bijvoorbeeld vanuit jouw huis, met jouw computer een zoekopdracht geven aan een zoekmachine. Of je bestelt met je smartphone via deze digitale snelweg een nieuwe broek. Mogelijkheden genoeg zou je denken!
Bits en quantumbits
Het quantuminternet is eigenlijk niets anders dan het internet voor quantumcomputers. Het verbindt quantumcomputers via een speciaal kanaal met elkaar. Zo kunnen computers onderling informatie uitwisselen via quantumbits, ook wel qubits genoemd. En daarin zit nu precies het grote verschil met het gewone internet. Daarbij wordt informatie uitgewisseld met bits die 0 óf 1 zijn, terwijl de waarde van een qubit een complexe combinatie van 0 én 1 is, die pas bij uitlezen vervalt in óf een 0 óf een 1. Doordat quantumcomputers rekenen met qubits kunnen ze berekeningen uitvoeren die met een klassieke computer veel te lang zouden duren. Ook zijn er specifieke problemen die waarschijnlijk alleen met een quantumcomputer opgelost kunnen worden.
Onderzoekers zijn al volop bezig met het ontwikkelen van het quantuminternet, omdat dit voor het toepassen van quantumcomputers – als die er komen – belangrijk is. Om quantuminternet te realiseren moeten de onderzoekers allereerst qubits kunnen maken. Deze qubits moeten vervolgens via een speciaal kanaal naar andere plekken getransporteerd kunnen worden. Voor het transporteren zijn qubits in de vorm van fotonen heel geschikt. Een foton kan zich in een quantumtoestand bevinden; het kan namelijk in verschillende richtingen gepolariseerd zijn. Het mooie is dat je fotonen gewoon via een glasvezelkabel kunt transporteren en die zijn er al!
Via een glasvezelkabel zou je dus een quantumcomputer die werkt met qubits van fotonen kunnen verbinden met een andere soortgelijke quantumcomputer. Je zou ook quantumcomputers die werken met andere soorten qubits via de glasvezelkabel met elkaar kunnen verbinden, bijvoorbeeld een quantumcomputer die werkt met supergeleidende qubits. Maar dan moet je de supergeleidende qubits wel eerst omzetten naar fotonen. Deze fotonen zend je dan via een glasvezelkabel naar een andere plek, waar je de fotonen vervolgens weer omzet naar supergeleidende qubits.
Voordelen quantuminternet
Wat zijn nu de voordelen van het gebruik van quantuminternet? Allereerst kan dit in de toekomst gebruikt worden om quantumcomputers direct met elkaar te verbinden, zonder dat de qubits hiervoor eerst uitgelezen hoeven te worden om ze over het ‘gewone’ internet te versturen. Als je de qubits eerst zou moeten meten (uitlezen), vervalt ieder qubit in een 0 of een 1 en ben je de oorspronkelijke quantumtoestand – en dus de informatie – kwijt.
Maar je zou het quantuminternet bijvoorbeeld ook al kunnen gebruiken voor het veilig versleutelen van berichten. Als je berichten op de klassieke manier versleutelt – met klassieke computers – dan bestaat altijd het gevaar dat criminelen de ‘sleutel’ om het bericht te ontcijferen in handen krijgen. Als ze deze informatie – de bits – wanneer die verstuurd wordt onderscheppen, kunnen ze met deze digitale sleutel bij de geheime informatie komen. De ontvanger merkt hier helaas niets van. Die ontvangt gewoon de informatie en heeft niet door dat het signaal ergens op de route is afgetapt.
Bij versleuteling van berichten via het quantuminternet – quantumcryptografie – kan iemand de verzonden qubits niet zomaar ongemerkt aftappen. Hoe zit dat? Je kunt bij een gewone internetverbinding bijvoorbeeld een bit onderscheppen die de waarde 1 heeft. Vervolgens kun je die waarde 1 van de bit weer precies zo doorsturen naar de ontvanger. De ontvanger kan dan niet zien dat jij de informatie tussentijds hebt bekeken, want alle waardes die aankomen bij de ontvanger zijn nog precies hetzelfde als de waardes die de verzender heeft verstuurd.
Bij qubits die je verstuurt via het quantuminternet is het wel zichtbaar als er is afgeluisterd. Op het moment dat iemand een foton-qubit uit het kanaal onderschept, is de qubit – net als bij de bit – verdwenen uit de informatiestroom. Als de afluisteraar deze qubit uitleest, vindt deze bijvoorbeeld de waarde 1. Maar degene die afluistert weet niet wat de waarde van de superpositie van het foton-qubit was vóór het uitlezen. Misschien was dat 1, 0 of een superpositie van 0 en 1? Op het moment dat de afluisteraar dan een nieuw foton het kanaal in stuurt om het onderschepte foton te vervangen, kan het zomaar zijn dat deze qubit een andere superpositie heeft dan die van de oorspronkelijke qubit.
Stel dat we de verzender Alice noemen en de ontvanger Bob. Alice én Bob meten de fotonen-qubits beide in twee verschillende bases. Ze gebruiken allebei twee verschillende polarisatiefilters. Alice en Bob zetten deze filters afwisselend tussen de detector en de te meten qubit in. Na afloop vergelijken ze de metingen die in dezelfde basis zijn gedaan.
Als Alice en Bob de meetresultaten in dezelfde basis vergelijken, valt de afluisteraar door de mand: de meetwaarde van de ontvangen qubits zijn niet meer allemaal hetzelfde als die van de verstuurde.
Zie het maar alsof Alice en Bob de qubits uitlezen door er afwisselend met een rode of een groene bril naar te kijken. Stel dat Alice een 0 wil versturen. Dan kiest ze eerst een kleur bril, bijvoorbeeld rood. Dan zorgt ze ervoor dat ze een qubit verstuurt die je met een rode bril niet ziet, wat een 0 oplevert. Als Bob dan ook met de rode bril kijkt, ziet hij ook niets. Maar als Bob met een groene bril kijkt, kan het zijn dat hij wel of niet iets ziet: hij meet 0 óf 1. Uiteindelijk hebben Alice en Bob dus onafhankelijk van elkaar per qubit een kleur bril gekozen om naar de qubit te kijken. Na afloop delen ze die volgorde én de uitkomst van hun reeks metingen met elkaar. Voor die qubits waarbij ze met dezelfde bril keken, zouden de gemeten waardes dan overeen moeten komen. Is dat niet zo? Dan weten ze dat er met de qubits is geknoeid en dat ze zijn afgeluisterd!
Figuur 4: In de animatie zie je dat Alice en Bob meten in afwisselende bases (aangegeven met ‘x’ en ‘+’). Alleen als ze dezelfde basis gebruiken, meten ze hetzelfde. Verderop in de animatie zie je wat er gebeurt als iemand afluistert – de ‘eavesdropper’ – en vervangende qubit-fotonen verstuurt. Alice en Bob zien dat een aantal metingen verschilt, terwijl ze toch echt dezelfde basis hebben gebruikt. Zo weten ze dat ze zijn afgeluisterd. Bron: YouTube.
Naast de toepassing van het versleutelen van berichten, zou het gebruik van quantuminternet ook handig kunnen zijn voor organisaties die veilig berekeningen willen doen in de quantumcloud. Als zij zelf beschikken over een eenvoudige quantumcomputer kunnen zij via het quantuminternet een cloud-quantumcomputer berekeningen laten uitvoeren, waarvan zij de uitkomsten dan weer ontvangen. Door gebruik te maken van het quantuminternet en krachtige cloud-quantumcomputers, is voor het datacentrum dan niet te achterhalen om welke berekeningen het ging. Zo kunnen organisaties dus op een veilige manier gebruikmaken van krachtige quantumdatacenters, zonder dat ze bij deze datacenters inzicht hebben in wat er precies is berekend.
Verzwakt signaal versterken
Dit klinkt allemaal erg mooi. Maar problemen zijn er ook. Als het kanaal waarover je informatie verstuurt lang is, treden altijd verliezen op. Hierdoor verzwakt het signaal. Daarom moeten de signalen bij een klassieke internetverbinding op de route naar een andere computer altijd onderweg versterkt worden. Dat is bij het versturen van nullen en enen goed te realiseren met een klassieke versterker. Als er geen stroom loopt, dan meet je niets en heeft de bit de waarde 0. Als er wel een stroom loopt – je meet een signaal – dan heeft de bit de waarde 1. Door verliezen onderweg zal de stroom die je meet steeds kleiner worden. De versterker zorgt er dan voor dat er weer een grotere stroom gaat lopen, zodat deze meetbaar blijft.
Bij het quantuminternet is versterken veel lastiger. Het is nu niet zoals bij het versturen van bits een kwestie van simpelweg verhogen van de stroom die een ‘1’ representeert. Bij een qubit moet er een superpositie van 0 en 1 versterkt worden. Dit moet gedaan worden zonder de qubit te meten, anders dwing je deze te kiezen voor 0 of 1 en ben je de superpositie kwijt. Dat is een stuk ingewikkelder. Het ontwikkelen van een speciaal soort versterker voor het quantuminternet is dus nog een flinke uitdaging. Ook hier wordt de komende tijd heel hard aan gewerkt.
Voorlopig zullen we het nog even moeten doen met het ‘gewone’ internet. In het dagelijks leven zullen er voor consumenten zoals jij en ik voorlopig nog geen toepassingen zijn waarbij je het quantuminternet nodig hebt. Maar zal dat in de verre toekomst zo blijven? Dat zullen we tegen die tijd wel zien!
Met dank aan Evert van Nieuwenburg
