Binnen Europa's zoektocht om een ​​onhackbaar kwantuminternet te bouwen

Conceptuele afbeelding van een slot met verstrengelde fotonen erin, op een geïllustreerde netwerkachtergrond Mengxin Li

De sneltrein van Parijs naar Rotterdam was een uur te laat bij het verlaten van Gare du Nord. Toen het me eindelijk in de Nederlandse stad deponeerde, ontdekte ik dat de doorgaande trein naar Delft was stilgelegd vanwege onderhoudswerkzaamheden aan het spoor. Het kostte me twee omslachtige busreizen en een taxirit voordat ik eindelijk mijn bestemming bereikte.

Aangezien ik daar was om meer te weten te komen over de toekomst van communicatie, leek dit gepast. Mijn reis was een herinnering dat, terwijl het vervoeren van mensen van plaats naar plaats nog steeds vol zit met onvoorziene storingen, gigantische hoeveelheden gegevens de hele dag soepel en snel stromen, elke dag door de glasvezelkabels die steden, landen en hele continenten met elkaar verbinden.

En toch hebben deze datanetwerken een zwak punt: ze zijn te hacken. Onder de geheime documenten die een paar jaar geleden zijn gelekt door Edward Snowden, aannemer van de Amerikaanse National Security Agency, waren er documenten die aantoonden dat westerse inlichtingendiensten erin waren geslaagd om communicatiekabels af te tappen en de enorme hoeveelheden verkeer die erdoorheen stromen te bespioneren.

Het onderzoeksinstituut dat ik bezocht in Delft, QuTech , werkt aan een systeem dat dit soort surveillance onmogelijk zou kunnen maken. Het idee is om de kwantummechanica te gebruiken om eind 2020 een feilloos beveiligd communicatienetwerk te creëren tussen Delft en drie andere steden in Nederland (zie onderstaande kaart voor de geplande koppelingen).

De QuTech-onderzoekers, onder leiding van Stephanie Wehner en Ronald Hanson, staan ​​nog steeds voor een aantal enorme technische uitdagingen. Maar als ze slagen, zou hun project een toekomstig kwantuminternet kunnen katalyseren - op ongeveer dezelfde manier waarop Arpanet, dat het Amerikaanse ministerie van Defensie eind jaren zestig creëerde, de creatie van het internet zoals we dat nu kennen, inspireerde.

distancecalculator.net / ms tech

Onnavolgbare qubits

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

De wetten van de kwantumfysica staan ​​daarentegen toe dat een deeltje, bijvoorbeeld een atoom, een elektron of (voor transmissie langs optische kabels) een foton van licht, een kwantumtoestand inneemt die een combinatie van een en 0 tegelijkertijd. Zo'n deeltje wordt een kwantumbit of qubit genoemd. Wanneer je een qubit probeert te observeren, stort zijn toestand in naar ofwel een of 0 . Dit, legt Wehner uit, betekent dat als een hacker een stroom qubits gebruikt, de indringer zowel de kwantuminformatie in die stroom vernietigt als een duidelijk signaal achterlaat dat ermee is geknoeid.

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

China heeft een aantal indrukwekkende toepassingen van QKD laten zien. Vorig jaar gebruikte het een satelliet genaamd Micius om kwantumsleutels naar twee grondstations te verzenden, een in Peking en de andere in Wenen. De sleutels werden vervolgens gebruikt om klassieke gegevens te ontsleutelen voor een veilig videogesprek tussen de twee steden. Elke poging om de communicatie met de sleutels te onderscheppen, zou ze hebben vernietigd, waardoor het voor de spionnen (of iemand anders) onmogelijk zou zijn om het videogesprek te decoderen. China heeft ook een QKD-communicatienetwerk op het vasteland gebouwd van Peking tot Shanghai 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 zich doorgaans niet meer dan enkele tientallen kilometers kunnen verplaatsen. Het Beijing-Shanghai-netwerk lost dit op door 32 zogenaamde vertrouwde knooppunten op verschillende punten te hebben, 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 kwantumstatus voor hun reis naar het volgende waypoint. Maar dit betekent dat vertrouwde knooppunten echt niet vertrouwd mogen worden. Een hacker die zijn beveiliging schendt, kan de klassieke sleutels onopgemerkt kopiëren, net als een bedrijf of overheid die de nodes beheert.

Kwantumteleportatie

Wehner, Hanson en hun collega's bij QuTech willen deze beperkingen overwinnen om een ​​volledig veilig kwantuminternet 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 ze een kwantumverbinding behouden, zelfs als ze in tegengestelde richtingen reizen. Het veranderen van de toestand van het ene foton zal onmiddellijk de toestand van het andere foton veranderen op een voorspelbare manier, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Albert Einstein noemde deze spookachtige actie op afstand.

Kwantumteleportatie vereist dus dat eerst een paar verstrengelde fotonen naar twee mensen worden gestuurd - noem ze Alice en Bob. Alice ontvangt haar verstrengelde foton en laat het interageren 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 Bobs foton. In feite teleporteert dit de gegevens in de geheugenqubit van Alice van het foton van Alice naar dat van Bob. In de onderstaande afbeelding wordt het proces iets gedetailleerder weergegeven.

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 allemaal één uiteinde hebben, kunnen alleen zij die gebruiken. Dat is wat het beveiligd maakt tegen afluisteren.

ms tech

Er zijn in de praktijk verschillende manieren om verstrengelde qubits te maken. Hanson, die aan het hoofd staat van de hardware-kant van het QuTech-initiatief, gebruikt microscopisch kleine synthetische diamanten met een opzettelijke fout die bekend staat als een stikstofleegstanddefect. Dit defect kan worden gemanipuleerd met behulp van licht en microgolven om fotonen uit te zenden die naar verre locaties kunnen worden gestuurd.

Dit op schaal krijgen is echter een enorme wetenschappelijke en technische uitdaging, zoals Hanson meteen erkent. We kunnen proberen om verstrengeling over lange afstanden te maken, maar dat mislukt meestal, zegt hij. Aangezien glasvezelkabels soms omwegen nemen, zullen de afstanden die de fotonen in het QuTech-project moeten afleggen waarschijnlijk langer zijn dan de directe die op onze kaart worden weergegeven.

Toch is er bemoedigende vooruitgang geboekt. In 2015 slaagden Hanson en een groep andere onderzoekers erin om qubits op een afstand van 1,3 kilometer (0,8 mijl) van elkaar te verstrengelen, maar de verbinding kon slechts één keer per uur tot stand worden gebracht en duurde een fractie van een seconde. In juni van dit jaar maakten de onderzoekers bekend dat ze 40 keer per seconde twee elektronen op een paar meter afstand van elkaar hadden verstrengeld. Hierdoor waren ze de eerste ter wereld die dat lieten zien verstrikking op aanvraag is mogelijk.

Lasergolfmaker

Dat experiment vond plaats in een laboratorium. Het repliceren in de echte wereld is een andere zaak. De technische hindernissen zijn niet alleen het versnellen van verstrengeling en het behouden ervan over veel langere afstanden, maar ook het uitvoeren van een delicate natuurkundige truc die laserpulsen gebruikt om de golflengten van fotonen te vergroten, zodat ze verder kunnen reizen over glasvezelkabels.

Terwijl Hanson zich op deze uitdagingen concentreert, leidt Wehner het netwerkontwerp en de software-innovatie die nodig zijn om de verbinding tussen vier steden te realiseren. Software die wordt gebruikt om klassieke communicatienetwerken te besturen, kan dingen als verstrengeling niet aan, dus Wehner heeft gewerkt aan een nieuwe architectuur die het mogelijk maakt om het nieuwe kwantumnetwerk efficiënt te besturen en er applicaties voor te bouwen.

Tijdens een recente hackathon die QuTech samen met het regionale internetregister van Europa organiseerde, werden onder meer veilige stemmen, digitale handtekeningen en zelfs een kwantumchatservice voorgesteld.

Het QuTech-team lijkt vastbesloten om zijn doel te bereiken om het vierstedennetwerk tegen het einde van 2020 te voltooien, hoewel Wehner toegeeft dat de deadline super strak is. Wat ze leren, zal een recent gelanceerd Europees project, de Quantum Internet Alliance (QIA), informeren. Wehner coördineert de alliantie , wiens doel het is om een ​​kwantuminternet te bouwen dat kwantumcommunicatietoepassingen tussen twee willekeurige punten op aarde mogelijk maakt.

Dat is op zijn zachtst gezegd ambitieus. Hoewel Nederland een nuttige proeftuin is, zijn de afstanden tussen steden daar vrij klein. Grotere netwerken hebben waarschijnlijk kwantumrepeaters nodig. In tegenstelling tot de vertrouwde knooppunten in het Chinese netwerk, die kwantuminformatie omzetten in klassieke vorm en vervolgens weer terug, zullen deze repeaters, of tussenstations met kwantumprocessors, nodig zijn om de verstrengeling over duizenden kilometers uit te breiden, zodat netwerken ongevoelig blijven voor hackers.

Stephanie Wehner en Ronald Hanson Marieke de Lorjin | QuTech

Verschillende onderzoekers, waaronder een team van QuTech, werken aan dit idee, maar het staat nog in de kinderschoenen. Er is veel mooie theorie, zegt Tracy Northup, een professor aan de Universiteit van Innsbruck die ook betrokken is bij de QIA, maar er is nog geen proof of principle in het lab.

Ervan uitgaande dat een kwantuminternet werkelijkheid wordt, roept dat belangrijke vragen op. Zal het voor iedereen beschikbaar zijn, of zullen diepgewortelde bedrijven en overheden quantumlanes gebruiken, terwijl anderen worden overgelaten aan minder veilige klassieke? En zullen regeringen erop aandringen dat ze speciale toegangspunten tot kwantumnetwerken nodig hebben, net zoals ze nu agiteren voor achterdeuren naar software en smartphones?

Als het QuTech-team de technische hindernissen kan overwinnen, komen we een grote stap dichterbij. En niet alleen de onderzoekers in Nederland houden een oogje in het zeil. China broedt op een plan voor een volledig kwantumcommunicatienetwerk dat de stad Zhuhai met Hong Kong zou verbinden. En met Micius en hun bestaande landgebonden netwerk hebben de Chinezen laten zien hoe snel ze vooruit kunnen. De race naar een kwantuminternet is volop aan de gang.

zich verstoppen