8/De kwantumsatelliet

© Illustratie ZAZA

Wat?

Op 16 augustus lanceerden de Chinezen de satelliet Quess, wat staat voor: Quantum Experiments at Space Scale. Er is vijf jaar gewerkt aan het tuig, dat ongeveer 100 miljoen euro heeft gekost. Het weegt een halve ton en draait op een hoogte van 600 kilometer rond de aarde. De bedoeling is dat de satelliet tests uitvoert met kwantumtechnologie die gebruikmaakt van verstrengelde lichtdeeltjes. Dat moet de snelst denkbare communicatie opleveren, aangezien niets sneller beweegt dan licht. Bovendien biedt de techniek mogelijk grote voordelen op het gebied van beveiliging: doordat de lichtdeeltjes met elkaar verstrengeld zijn, kan de verstuurde informatie in principe niet worden gehackt. Verstrengelde deeltjes blijven dezelfde eigenschappen vertonen, zelfs als ze zich op grote afstand van elkaar bevinden. Als je de eigenschappen van het ene deeltje kent, ken je automatisch de eigenschappen van het andere deeltje, waardoor je kunt nagaan of ‘de afzender’ van de informatie veilig is.

De Vlaamse ingenieur Lieven Vandersypen, verbonden aan de Technische Universiteit in het Nederlandse Delft, legt uit hoe het concept werkt: ‘In de satelliet zit een lichtbron die een zwakke laserbundel door een kristal met een heel specifieke structuur stuurt. De lichtbundel is zo zwak dat de lichtdeeltjes één voor één in het kristal terechtkomen. Daar worden ze in twee gelijke helften gesplitst, die met elkaar verstrengeld zijn. Beide deeltjes worden vervolgens naar twee verschillende grondstations op de aarde gestuurd. Omdat licht twee vormen van polarisatie kan hebben, kun je er ook het klassieke onderscheid tussen 0 en 1 mee simuleren, dat onze computers gebruiken om informatie te verwerken. Het kwantumprincipe van informatieoverdracht door verstrengelde lichtdeeltjes is al aan land getest, maar de successen bleven er tot dusver beperkt tot een afstand van enkele honderden kilometers. In de ruimte gaat het beter, want er is minder verlies van deeltjes onderweg.’

De bedoeling is dat de Chinezen in eerste instantie werken met informatie-uitwisseling tussen twee grondstations in China die ongeveer 1200 kilometer van elkaar liggen. Later zal er gemikt worden op stations in China en Oostenrijk – Oostenrijkse wetenschappers werken intens met de Chinezen samen om de technologie uit te bouwen. Als dat lukt, zal wereldwijde communicatie via kwantumtechnieken een realiteit zijn.

Wie?

De tijd dat de Chinezen qua wetenschappelijk onderzoek de kat uit de boom keken, is voorbij. Ze hebben de laatste jaren een enorme inhaalbeweging gemaakt. In kwantumcommunicatie staan ze nu aan de top, ondanks de inspanningen van Amerikaanse en Europese onderzoekers en ondernemingen. ‘De verwachtingen in de technologie zijn groot’, stelt Vandersypen. ‘Bedrijven als Intel, waar wij mee samenwerken, Microsoft en Google zijn op de trein gesprongen. De Europese Commissie heeft het licht op groen gezet voor een ‘Quantum Flagship’, een grootschalig Europees programma dat tien jaar lang een half miljard euro in het onderzoek naar kwantumcommunicatie zal pompen. Dat moet een grote sprong voorwaarts mogelijk maken.’

Het Europese initiatief komt niets te vroeg. Canadese en Chinese wetenschappers rapporteerden recent in het vakblad Nature Photonics doorbraken in het gebruik van de kwantumverstrengeling van lichtdeeltjes om informatie door glasvezelkabels te sturen. Omdat er ook in glasvezelkabels over lange afstanden veel lichtdeeltjes verloren gaan, werkt het concept tot dusver alleen goed voor korte afstanden. Het record is voorlopig 6,2 kilometer, waardoor de technologie al gebruikt zou kunnen worden voor communicatie in een stad. In plaats van zichtbaar licht werden in de laatste experimenten deeltjes uit het infrarode deel van het lichtspectrum gebruikt, waardoor het concept in aanmerking komt voor aansluiting op de bestaande communicatienetwerken.

Waarom?

Het uiteindelijke doel is een kwantuminternet dat snelle en veilige communicatie garandeert. Dat ligt echter nog ver weg. De Chinezen hopen tegen 2030 een netwerk van kwantumsatellieten in de ruimte te hebben. ‘Er is nog veel werk aan de winkel om kwantumcommunicatie praktisch bruikbaar te maken’, stelt Vandersypen, die met zijn team kwantumcomputers ontwikkelt. Die toestellen steunen voor hun informatieverwerking op het gebruik van kwantumdots: elektronen die opgesloten zijn in halfgeleiderstructuurtjes van amper enkele tientallen nanometers groot. ‘Momenteel kunnen we enkel rekenen met kwantumdots die vlak naast elkaar liggen, maar we zijn druk aan het werk om netwerken van kwantumdots op een chip aan te leggen’, zegt Vandersypen. ‘We hebben al aangetoond dat het idee van een kwantummediator tussen twee kwantumdots realistisch is. Dat moet helpen om informatie grotere afstanden te laten overbruggen. Ons systeem is nog niet bruikbaar, maar op termijn zal het zeker mogelijk worden. Het is wel belangrijk dat de theorie en de praktijk elkaar snel vinden, zodat we werkbare oplossingen kunnen ontwikkelen.’

Vandersypen denkt dat het nog vijf tot tien jaar zal duren voor de eerste praktische toepassingen van de technologie beschikbaar zullen zijn. Niemand twijfelt eraan dat kwantumcommunicatie dé toekomst is. Geen enkel systeem zal snellere én veiligere communicatie kunnen bieden – de twee basisvereisten van moderne communicatie. Gebruikers zullen onmiddellijk merken dat er kapers op de kust zijn die in hun systeem willen inbreken, want je kunt niet aan een van de verstrengelde deeltjes raken zonder dat het andere verandert. Satellieten, computers en internetnetwerken zullen in de toekomst draaien op de bizarre eigenschappen van deeltjes op het allerkleinste niveau dat wij momenteel kunnen waarnemen.

Tekst DIRK DRAULANS, illustratie ZAZA

Doordat de lichtdeeltjes met elkaar verstrengeld zijn, kan de verstuurde informatie niet worden gehackt.

De Chinezen hopen tegen 2030 een netwerk van kwantumsatellieten in de ruimte te hebben.

Reageren op dit artikel kan u door een e-mail te sturen naar lezersbrieven@knack.be. Uw reactie wordt dan mogelijk meegenomen in het volgende nummer.

Partner Content