Kwantuminterconnect: de 'kabels' die kwantumcomputers met elkaar verbinden
Een kwantuminterconnect is een verbinding die kwantuminformatie kan doorgeven zonder die te vernietigen. Dat klinkt abstract, maar het verschil met een gewone kabel is groot. Een usb-kabel of glasvezellijn stuurt simpele enen en nullen door: stabiele signalen die je probleemloos kunt kopiëren, versterken en opnieuw versturen. Een kwantumbit, of qubit, bevat informatie in een veel fragielere vorm — een zogeheten superpositie, en vaak verstrengeld (entangled) met een qubit ergens anders. Zodra je zo'n toestand meet of kopieert, verdwijnt precies de informatie die je wilde behouden. Een kwantuminterconnect moet die broze toestand intact houden terwijl hij van de ene plek naar de andere reist.
Denk aan het verschil tussen het doorgeven van een foto en het doorgeven van een zeepbel. De foto kun je printen, mailen, kopiëren: de inhoud blijft hetzelfde. Een zeepbel moet je heel voorzichtig van hand naar hand overhandigen — raak je 'm verkeerd aan, dan knapt hij en is de informatie (de vorm, de kleuren) weg. Kwantuminterconnects zijn de voorzichtige handen die zeepbellen van qubit naar qubit doorgeven. Ze zijn nodig op twee heel verschillende schalen: tussen chips in dezelfde kwantumcomputer, en tussen kwantumcomputers in verschillende steden of landen, als onderdeel van wat onderzoekers een toekomstig 'kwantuminternet' noemen.
Wat is het precies?
Een qubit kan, anders dan een klassieke bit, tegelijk een beetje 0 en een beetje 1 zijn (superpositie) en zijn toestand kan verknoopt zijn met die van een andere qubit, ook als die ver weg staat (verstrengeling). Deze eigenschappen zijn de bron van de rekenkracht van een kwantumcomputer, maar ze zijn ook extreem gevoelig: trillingen, warmte of simpelweg het stukje lucht tussen twee chips kunnen de toestand verstoren. Dat verlies van kwantumgedrag heet decoherentie.
Binnen één kwantumchip liggen de qubits dicht bij elkaar en kunnen ingenieurs ze direct koppelen, bijvoorbeeld via microgolfsignalen bij supergeleidende qubits. Zodra je kwantuminformatie tussen twee verschillende chips, koelkasten of steden wilt sturen, moet die informatie een drager krijgen die wel over afstand kan reizen: meestal een foton (lichtdeeltje). Supergeleidende qubits — het type dat onder meer IBM en Google gebruiken — werken van nature met microgolffotonen, die alleen over enkele meters en bij extreem lage temperatuur (rond het absolute nulpunt) hun kwantumtoestand behouden.
Voor langere afstanden is licht in het optische of telecomgebied nodig, omdat dat door gewone glasvezel kan reizen zonder meteen te worden gedempt. Het omzetten van een microgolf-kwantumtoestand naar een optisch foton heet kwantumtransductie, en dat is technisch nog erg lastig: de omzetting moet vrijwel verliesvrij en ruisvrij gebeuren, anders gaat de verstrengeling alsnog verloren. Onderzoeksgroepen in Delft en aan Caltech werken al jaren aan zulke omzetters.
Over lange afstanden speelt nog een extra probleem: in glasvezel gaat ongeveer de helft van de fotonen per 15 kilometer verloren door absorptie. Bij klassiek internet lossen we dat op met versterkers die het signaal simpelweg kopiëren. Bij kwantumsignalen mag dat niet: het no-cloning-theorema verbiedt het exact kopiëren van een onbekende kwantumtoestand. De oplossing is een kwantumrepeater: een tussenstation met een kort geheugen dat verstrengeling in stukjes opbouwt en via een truc genaamd entanglement swapping (verstrengelingsuitwisseling) aan elkaar knoopt, zodat er alsnog een verstrengelde verbinding over lange afstand ontstaat zonder de toestand te klonen.
Wat wil men ermee bereiken?
De eerste drijfveer is schaalvergroting. Huidige kwantumchips lopen tegen natuurkundige en technische grenzen aan: meer qubits op één chip betekent meer bedrading, meer warmteontwikkeling en meer kans op fouten. Door meerdere kleinere chips via een snelle, betrouwbare interconnect aan elkaar te knopen — vergelijkbaar met hoe klassieke supercomputers uit duizenden verbonden servers bestaan — hopen fabrikanten alsnog machines met honderdduizenden of miljoenen qubits te bouwen. Dit heet modulaire of gedistribueerde kwantumcomputing.
De tweede drijfveer is een heel ander soort netwerk: het kwantuminternet. Daarmee bedoelen onderzoekers geen vervanging van het gewone internet, maar een extra laag die verstrengeling tussen verre locaties mogelijk maakt. Toepassingen die daarmee in zicht komen zijn onder meer afluisterveilige communicatie via kwantumsleuteldistributie, het koppelen van kwantumcomputers in de cloud zodat je rekenkracht kunt combineren zonder je geheime data te delen (blind quantum computing), en netwerken van extreem nauwkeurige klokken of telescopen die via verstrengeling hun metingen combineren voor een scherpere resolutie dan ieder apparaat afzonderlijk kan halen.
Voorbeelden uit de praktijk
QuTech (Delft, Nederland) leverde in 2015 een mijlpaal met de eerste 'loophole-free' Bell-test: onderzoekers onder leiding van Ronald Hanson verstrengelden twee elektronen in diamant op 1,3 kilometer afstand, tussen twee gebouwen in Delft, en bewezen daarmee overtuigend dat kwantumverstrengeling echt is en niet via een verborgen klassiek signaal te verklaren. In 2021 publiceerde de groep van Hanson in Science de eerste demonstratie van een driekoppig kwantumnetwerk, waarbij een centraal knooppunt met een extra geheugenqubit verstrengeling tussen twee buitenste knooppunten kon opslaan en doorschakelen — een belangrijke bouwsteen voor toekomstige repeaters.
China zette in 2017 een grote stap met de Micius-satelliet, onder leiding van natuurkundige Pan Jianwei: vanuit de satelliet werden verstrengelde fotonenparen naar twee grondstations op ruim 1200 kilometer afstand van elkaar gestuurd. In 2021 combineerde dezelfde groep het satellietnetwerk met een glasvezelbackbone tussen Peking en Shanghai tot een geïntegreerd netwerk van ongeveer 4600 kilometer.
In de Verenigde Staten bouwden Argonne National Laboratory en Fermilab rond 2020 het Illinois Express Quantum Network, een testlus van ongeveer 80 kilometer glasvezel bij Chicago, om verstrengelingsdistributie en repeater-technieken onder realistische omstandigheden te testen.
Amazon richtte in 2022 het AWS Center for Quantum Networking op, specifiek gericht op het ontwikkelen van kwantumrepeaters en netwerkhardware. IBM werkt ondertussen aan chip-naar-chip-koppelingen om meerdere processors tot één groter rekensysteem te combineren, als onderdeel van zijn meerjarige roadmap voor wat het bedrijf 'kwantumgerichte supercomputing' noemt.
Hoe ver is de techniek?
Binnen één koelkast, tussen twee chips op een paar centimeter of decimeter afstand, is kwantumkoppeling via microgolf- of korte optische verbindingen inmiddels experimenteel aangetoond, maar de kwaliteit (fideliteit) en snelheid moeten nog flink omhoog voor praktisch nut. Fabrikanten verwachten de eerste commercieel relevante chip-naar-chip-interconnects in de tweede helft van dit decennium te kunnen inzetten, al zijn concrete jaartallen in roadmaps regelmatig naar achteren geschoven.
Verstrengeling over tientallen kilometers glasvezel is in laboratoria al gelukt, maar de snelheid waarmee bruikbare verstrengelde paren ontstaan is nog laag — vaak enkele tot enkele honderden per seconde, terwijl praktische toepassingen duizenden tot miljoenen per seconde nodig hebben. Echte kwantumrepeaterketens, met meerdere tussenstations die foutloos aan elkaar doorschakelen, bestaan nog niet buiten de onderzoeksopstelling; de benodigde kwantumgeheugens zijn nog te kort van levensduur en te inefficiënt.
Satellietverbindingen zoals Micius bewijzen dat verstrengeling over duizenden kilometers kan, maar zijn afhankelijk van helder weer, zichtlijnen en een beperkt aantal overvluchten per dag, en zijn dus geen vervanging voor een continu beschikbaar glasvezelnetwerk. De grootste technische obstakels blijven fotonverlies in glasvezel, het ontbreken van efficiënte kwantumgeheugens bij telecomgolflengtes, en de noodzaak om verre klokken tot op nanoseconden nauwkeurig te synchroniseren. Een volwaardig, wereldwijd kwantuminternet wordt door de meeste onderzoekers op een horizon van meerdere decennia geschat; nuttige tussenstappen, zoals regionale testnetwerken en betere chip-interconnects, worden wel op kortere termijn verwacht.
Wie werken eraan?
In Nederland is QuTech, een samenwerking tussen de TU Delft en TNO, een van de wereldleiders op het gebied van kwantumnetwerken en coördineert het de door de Europese Unie gefinancierde Quantum Internet Alliance, waarin tientallen Europese universiteiten en bedrijven samenwerken aan een testbed voor een Europees kwantuminternet.
In de Verenigde Staten investeren het Department of Energy en nationale laboratoria zoals Argonne, Fermilab, Oak Ridge en Brookhaven in testnetwerken, terwijl bedrijven als IBM, Google en Amazon vooral de chip-naar-chip-kant ontwikkelen voor het opschalen van hun eigen kwantumcomputers. Het National Institute of Standards and Technology (NIST) ondersteunt standaardisatie en meetmethoden.
China heeft met de University of Science and Technology of China en de groep van Pan Jianwei een voortrekkersrol op het gebied van satellietgebaseerde kwantumcommunicatie. Ook Japan (met onderzoeksinstituut NICT) en verschillende Europese landen naast Nederland investeren in nationale kwantumnetwerk-initiatieven, vaak in samenhang met bredere kwantumtechnologie-strategieën.