MIT: Europa streeft naar een onaantastbaar Quantum-internet

TDe snelle trein van Parijs naar Rotterdam was een uur te laat bij het verlaten van het Noordstation. Toen het me uiteindelijk in de Nederlandse stad afzette, ontdekte ik dat de doorgaande trein naar Delft was opgeschort vanwege onderhoudswerkzaamheden aan de sporen. Het duurde twee omweg met de bus en een taxirit voordat ik eindelijk mijn bestemming bereikte.

Aangezien ik daar was om te leren over de toekomst van communicatie, leek dit gepast. Mijn reis herinnerde me eraan dat terwijl mensen van plaats naar plaats worden vervoerd nog steeds vol zit met onvoorziene problemen, gigantische hoeveelheden gegevens de hele dag soepel en snel stromen, elke dag door de glasvezelkabels die steden, landen en hele continenten verbinden.

En toch hebben deze datanetwerken een zwakte: ze kunnen worden gehackt. Onder de geheime documenten die een paar jaar geleden zijn gelekt door Edward Snowden, aannemer van de National National Security Agency, waren er documenten die aantoonden dat westerse inlichtingendiensten erin waren geslaagd gebruik communicatiekabels en bespioneren de enorme hoeveelheden verkeer die erdoorheen stromen.

Het onderzoeksinstituut dat ik in Delft bezocht, QuTech, werkt aan een systeem dat dit soort surveillance onmogelijk zou kunnen maken. Het idee is om kwantummechanica te benutten om tegen het einde van 2020 een vlekkeloos beveiligd communicatienetwerk tussen Delft en drie andere steden in Nederland te creëren (zie kaart hieronder voor de geplande links).

De QuTech-onderzoekers, geleid door Stephanie Wehner en Ronald Hanson, staan ​​nog steeds voor een aantal ontmoedigende technische uitdagingen. Maar als ze slagen, zou hun project een toekomstig kwantuminternet kunnen katalyseren - net zoals Arpanet, dat het Amerikaanse ministerie van Defensie in de late 1960s creëerde, de totstandkoming van het internet heeft geïnspireerd zoals we het nu kennen.

Onnavolgbare qubits

Het internet is kwetsbaar voor het soort hack dat door Snowden wordt onthuld omdat gegevens nog steeds over kabels reizen in de vorm van klassieke bits - een stroom van elektrische of optische pulsen die 1s en 0s. Een hacker die erin slaagt de kabels aan te boren, kan die bits onderweg lezen en kopiëren.

De wetten van de kwantumfysica laten daarentegen toe dat een deeltje - bijvoorbeeld een atoom, een elektron of (voor het doorlaten van optische kabels) een foton van licht - een kwantumtoestand bezet die een combinatie van 1 en  0 tegelijk. Zo'n deeltje wordt een kwantumbit of qubit genoemd. Wanneer u een qubit probeert te observeren, stort de status ervan in op een van beide 1 or 0. Dit, legt Wehner uit, betekent dat als een hacker een stroom qubits aanboort, de indringer zowel de kwantuminformatie in die stroom vernietigt als een duidelijk signaal achterlaat waarmee is geknoeid.

Vanwege deze eigenschap worden qubits al geruime tijd gebruikt om coderingssleutels te genereren in een proces dat bekend staat als quantum key distribution (QKD). Dit houdt in dat gegevens in klassieke vorm via een netwerk worden verzonden, terwijl de sleutels die nodig zijn om de gegevens te decoderen, afzonderlijk in een kwantumstatus worden verzonden.

China heeft een aantal indrukwekkende toepassingen van QKD aangetoond. Vorig jaar gebruikte het een satelliet genaamd Micius to kwantumsleutels verzenden naar twee grondstations, één in Beijing en de andere in Wenen. De sleutels werden vervolgens gebruikt om klassieke gegevens te decoderen voor een veilig videogesprek tussen de twee steden. Elke poging om de communicatie met de sleutels te onderscheppen zou ze vernietigd hebben, waardoor het voor de spionnen (of iemand anders) onmogelijk was om het videogesprek te decoderen. China heeft ook een vast QKD-communicatienetwerk van Beijing naar Shanghai gebouwd dat banken en andere bedrijven gebruiken om gevoelige commerciële gegevens te verzenden.

De aanpak heeft echter beperkingen. Fotonen kunnen worden geabsorbeerd in de atmosfeer of door materialen in kabels, wat betekent dat ze meestal niet meer dan enkele tientallen kilometers kunnen afleggen. Het Beijing-Shanghai-netwerk omzeilt dit door 32 zogenaamde 'vertrouwde knooppunten' op verschillende punten te gebruiken - vergelijkbaar met repeaters die het signaal in een gewone datakabel versterken. Op deze knooppunten worden sleutels gedecodeerd in klassieke vorm en vervolgens opnieuw gecodeerd in een nieuwe kwantumstaat voor hun reis naar het volgende routepunt. Maar dit betekent dat vertrouwde knooppunten eigenlijk niet vertrouwd moeten worden. Een hacker die inbreuk maakt op hun beveiliging kan de klassieke sleutels ongemerkt kopiëren, net als een bedrijf of overheid die de knooppunten beheert.

Quantum teleportatie

Wehner, Hanson en hun collega's bij QuTech willen deze beperkingen overwinnen om een ​​volledig veilig quantum-internet te bouwen.

De benadering die ze gebruiken, wordt kwantumteleportatie genoemd. Dit klinkt misschien als sciencefiction, maar het is een echte methode om gegevens te verzenden. Het is gebaseerd op een fenomeen dat bekend staat als kwantumverstrengeling.

Verstrengeling betekent het creëren van een paar qubits - fotonen van licht voor dit doel - in een enkele kwantumtoestand, zodat zelfs als ze in tegengestelde richtingen reizen, ze een kwantumverbinding behouden. Het veranderen van de toestand van het ene foton zal de toestand van het andere onmiddellijk veranderen op een voorspelbare manier, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Albert Einstein noemde deze "spookachtige actie op afstand".

Kwantumteleportatie vereist daarom eerst een paar verstrengelde fotonen naar twee mensen sturen - noem ze Alice en Bob. Alice ontvangt haar verstrengelde foton en laat het communiceren met een "geheugenqubit" die gegevens bevat die ze naar Bob wil verzenden. Deze interactie verandert de toestand van haar foton en dus ook de toestand van Bob's foton. In feite 'teleporteert' dit de gegevens in Alice's geheugenqubit van Alice's foton naar Bob's. In de onderstaande illustratie wordt het proces wat gedetailleerder beschreven.

Een andere manier om erover na te denken: het verstrengelde paar fotonen is als de twee uiteinden van een virtuele, eenmalige datakabel. Elke keer dat Alice en Bob gegevens willen verzenden, ontvangen ze eerst een nieuwe kabel, en omdat ze elk één uiteinde vasthouden, kunnen alleen zij die gebruiken. Dat is wat het beveiligt tegen afluisteren.

Lees hier het hele verhaal ...