Een recente vooruitgang in de kwantumtechnologie zou de weg kunnen vrijmaken voor een kwantuminternet op wereldschaal, waardoor het bereik waarop kwantumcomputers met elkaar kunnen communiceren aanzienlijk wordt vergroot. Voorheen beperkt door de afstand, konden kwantumcomputers binnenkort verbinding maken tussen continenten dankzij een nieuwe methode om belangrijke componenten te bouwen.
De afstandsbarrière in kwantumcommunicatie
Kwantumcomputers beschikken over opmerkelijke verwerkingsmogelijkheden en snelheid, maar voor het effectief benutten van deze kracht is een robuust en onderling verbonden netwerk vereist. Momenteel is een belangrijk obstakel de moeilijkheid om deze computers over lange afstanden met elkaar te verbinden. De maximale afstand voor communicatie via glasvezelkabel was voorheen beperkt tot slechts enkele kilometers. Ter illustratie: zelfs als er glasvezelkabels tussen zaten, kon een kwantumcomputer op de South Side-campus van de Universiteit van Chicago geen verbinding tot stand brengen met een computer in de Willis Tower in het centrum van Chicago.
Een 200x groter verbindingsbereik
Onderzoek dat vandaag in Nature Communications is gepubliceerd door assistent-professor Tian Zhong aan de Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) van de Universiteit van Chicago, stelt een oplossing voor deze beperking voor. De methode van Zhong breidt theoretisch de maximale verbindingsafstand uit tot een verbazingwekkende 2.000 kilometer (1.243 mijl). Deze verandering betekent dat dezelfde UChicago-kwantumcomputer die voorheen niet in staat was de Willis Tower te bereiken, nu verbinding kan maken en kan communiceren met een tegenhanger in Salt Lake City, Utah.
“Voor het eerst is de technologie voor het bouwen van een kwantuminternet op wereldschaal binnen handbereik”, zegt Zhong, die onlangs voor zijn werk de prestigieuze Sturge Prize ontving.
De wetenschap achter de doorbraak
Het koppelen van kwantumcomputers omvat het tot stand brengen van kwantumverstrengeling tussen atomen die via een glasvezelkabel worden verzonden. Hoe langer deze verstrengelde atomen hun kwantumcoherentie behouden – in essentie hun vermogen om een kwantumtoestand vast te houden – hoe groter de afstand tussen computers die met elkaar verbonden kunnen worden.
Zhong en zijn team hebben de kwantumcoherentietijden aanzienlijk verbeterd door de fabricage van erbiumatomen te verbeteren, een cruciaal element bij het creëren van verstrengeling. Ze verhoogden de coherentietijden van 0,1 milliseconden naar meer dan 10 milliseconden, waarbij één instantie 24 milliseconden bereikte. Deze verbetering zou het theoretisch mogelijk maken dat kwantumcomputers verbinding kunnen maken over afstanden van 4.000 kilometer – ongeveer de afstand van UChicago PME tot Ocaña, Colombia.
Geen nieuwe materialen, maar een nieuwe methode
De innovatie ging over nieuwe materialen, maar eerder over hoe die materialen zijn geconstrueerd. Onderzoekers gebruikten een techniek genaamd molecular-beam epitaxie (MBE) in plaats van de traditionele Czochralski-methode om de met zeldzame aardmetalen gedoteerde kristallen te creëren die nodig zijn voor kwantumverstrengeling.
De Czochralski-methode, zo legde Zhong uit, is als een ‘smeltkroes’ waarin ingrediënten worden gemengd en gesmolten bij extreem hoge temperaturen (meer dan 2000 graden Celsius) voordat ze langzaam afkoelen om een kristal te vormen. Deze kristallen worden vervolgens chemisch in computercomponenten “gesneden”. MBE daarentegen lijkt meer op 3D-printen, waarbij het kristal laag voor laag wordt opgebouwd.
“We beginnen met niets en assembleren dit apparaat vervolgens atoom voor atoom”, zei Zhong. “De kwaliteit of zuiverheid van dit materiaal is zo hoog dat de kwantumcoherentie-eigenschappen van deze atomen voortreffelijk worden.”
Bestaande technieken aanpassen
Hoewel MBE een bekende techniek is, is deze nog nooit toegepast om dit specifieke type met zeldzame aardmetalen gedoteerd materiaal te maken. Zhong en zijn team werkten samen met assistent-professor Shuolong Yang bij UChicago PME, een expert in materiaalsynthese, om MBE voor dit doel aan te passen.
Validatie door deskundigen
De vooruitgang heeft lof gekregen van vooraanstaande experts in het veld. “De aanpak die in dit artikel wordt gedemonstreerd is zeer innovatief”, aldus professor dr. Hugues de Riedmatten van het Institute of Photonic Sciences. “Het laat zien dat een bottom-up, goed gecontroleerde benadering van nanofabricage kan leiden tot de realisatie van enkele zeldzame-aarde-ionqubits met uitstekende optische en spin-coherentie-eigenschappen.”
Wat is het volgende?
Zhong en zijn team concentreren zich nu op het testen of de verlengde coherentietijden daadwerkelijke kwantumverbindingen over lange afstanden mogelijk maken. Hun volgende stap bestaat uit het koppelen van twee qubits – elk ondergebracht in afzonderlijke verdunningskoelkasten in het laboratorium van Zhong – via 1000 kilometer opgerold kabel. Deze eerste test is weliswaar niet de laatste stap, maar zal cruciaal blijken voor het valideren van de technologie en het dichter bij de werkelijkheid brengen van de visie van een mondiaal kwantuminternet.
Deze doorbraak vertegenwoordigt een belangrijke stap op weg naar een toekomst waarin kwantumcomputers naadloos met elkaar kunnen worden verbonden, waardoor ongekende rekenkracht wordt ontsloten en innovatie op tal van terreinen wordt gestimuleerd.
