Skip to content
Home » Onderzoek naar kwantumtechnologie in Chicago kan leiden tot veiliger internet

Onderzoek naar kwantumtechnologie in Chicago kan leiden tot veiliger internet

    Onderzoek naar kwantumtechnologie in Chicago kan leiden tot veiliger internet

    Kwantumonderzoek aan een laboratorium van de Universiteit van Chicago kan hacking helpen voorkomen en een toekomstig web van supercomputers verbinden

    Laserkoppen, onderkant en lasercontrollers, bovenaan in het quantum computing-lab van het Eckhardt Research Center van de Universiteit van Chicago.
    Laserkoppen, onderkant en lasercontrollers, bovenaan in het quantum computing-lab van het Eckhardt Research Center van de Universiteit van Chicago. (Taylor Glascock voor The Washington Post)

    CHICAGO – Het geheim van een veiliger en krachtiger internet – een die mogelijk onmogelijk te hacken is – zou kunnen zijn in een kelderkast die schijnbaar geschikt is voor bezems en dweilen.

    De 3 meter brede cubby, in de ingewanden van een laboratorium van de Universiteit van Chicago, bevat een slank rek met hardware die discreet kwantumdeeltjes in een glasvezelnetwerk schiet. Het doel: de kleinste objecten van de natuur gebruiken om informatie te delen onder encryptie die niet kan worden verbroken – en uiteindelijk om een ​​netwerk van kwantumcomputers aan te sluiten die in staat zijn tot gigantische berekeningen.

    De bescheiden attributen van Equipment Closet LL211A geloven in het belang van een project in de voorhoede van een van ‘s werelds populairste technologiecompetities. De Verenigde Staten, China en anderen wedijveren om de bizarre eigenschappen van kwantumdeeltjes te benutten om informatie op krachtige nieuwe manieren te verwerken – technologie die grote economische en nationale veiligheidsvoordelen kan opleveren voor de landen die het domineren.

    Kwantumonderzoek is zo belangrijk voor de toekomst van internet dat het nieuwe federale financiering krijgt, onder meer uit de onlangs aangenomen Chips and Science Act. Dat komt omdat, als het uitkomt, het kwantuminternet financiële transacties en gezondheidsgegevens kan beschermen, identiteitsdiefstal kan voorkomen en vijandige staatshackers kan stoppen.

    De afgelopen week deelden drie natuurkundigen de Nobelprijs voor kwantumonderzoek dat de weg heeft vrijgemaakt voor dit toekomstige internet.

    Zeven basisvragen over kwantumtechnologie, beantwoord

    Kwantumonderzoek heeft nog tal van obstakels te overwinnen voordat het wijdverbreid kan worden gebruikt. Maar banken, zorgbedrijven en anderen beginnen experimenten uit te voeren op het kwantuminternet. Sommige industrieën sleutelen ook aan kwantumcomputers in een vroeg stadium om te zien of ze uiteindelijk problemen kunnen oplossen die huidige computers niet kunnen, zoals het ontdekken van nieuwe geneesmiddelen om hardnekkige ziekten te behandelen.

    Grant Smith, een afgestudeerde student aan het kwantumonderzoeksteam van de Universiteit van Chicago, zei dat het te vroeg is om alle mogelijke toepassingen voor te stellen.

    “Toen mensen voor het eerst de rudimentaire internetten maakten die computers op onderzoeksniveau en universiteiten en nationale laboratoria met elkaar verbinden, hadden ze e-commerce niet kunnen voorspellen”, zei hij tijdens een recente rondleiding door de laboratoria van de universiteit.

    De studie van de kwantumfysica begon in het begin van de 20e eeuw, toen wetenschappers ontdekten dat de kleinste objecten van het universum – atomen en subatomaire deeltjes – zich anders gedragen dan materie in de grootschalige wereld, zoals het lijken op meerdere plaatsen tegelijkertijd .

    Die ontdekkingen die de eerste kwantumrevolutie worden genoemd, leidden tot nieuwe technologieën zoals lasers en de atoomklok. Maar onderzoek brengt wetenschappers nu dichter bij het benutten van meer van de eigenaardige krachten van de kwantumwereld. David Awschalom, een professor aan de Pritzker School of Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago en leider van het kwantumteam, noemt dit de tweede kwantumrevolutie.

    Het veld probeert “de manier te ontwikkelen waarop de natuur zich op het meest fundamentele niveau van onze wereld gedraagt, en dit gedrag te exploiteren voor nieuwe technologieën en toepassingen”, zei hij.

    Bestaande computers en communicatienetwerken slaan informatie op, verwerken en verzenden deze door deze op te splitsen in lange bitstromen, meestal elektrische of optische pulsen die een nul of een vertegenwoordigen.

    Kwantumdeeltjes, ook wel kwantumbits of qubits genoemd, kunnen tegelijkertijd als nullen en enen bestaan, of in elke positie daartussen, een flexibiliteit die bekend staat als ‘superpositie’ en waarmee ze informatie op nieuwe manieren kunnen verwerken. Sommige natuurkundigen vergelijken ze met een draaiende munt die tegelijkertijd kop en munt is.

    Quantumbits kunnen ook “verstrengeling” vertonen, waarbij twee of meer deeltjes onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn en elkaar exact spiegelen, zelfs wanneer ze gescheiden zijn door een grote fysieke afstand. Albert Einstein noemde dit ‘spookachtige actie op afstand’.

    De hardware van de kast is aangesloten op een 124 mijl lang glasvezelnetwerk dat loopt van de universiteitscampus aan de zuidkant van Chicago naar twee door de federale overheid gefinancierde laboratoria in de westelijke buitenwijken die samenwerken aan het onderzoek – Argonne National Laboratory en Fermi National Accelerator Laboratory.

    Het team gebruikt fotonen – dit zijn kwantumdeeltjes van licht – om coderingssleutels door het netwerk te sturen, om te zien hoe goed ze door vezels gaan die onder snelwegen, bruggen en tolhuisjes door gaan. Kwantumdeeltjes zijn uiterst delicaat en hebben de neiging om bij de minste verstoring, zoals een trilling of temperatuurverandering, slecht te functioneren, dus het is lastig om ze over lange, reële afstanden te sturen.

    In de kelderkast van de universiteit zendt een stuk hardware, gebouwd door het Japanse bedrijf Toshiba, paren verstrengelde fotonen uit en stuurt er één van elk paar via het netwerk naar Argonne, 30 mijl verderop, in Lemont, Illinois. Eén coderingssleutel is gecodeerd op een reeks fotonparen.

    Omdat de paren verstrengeld zijn, lopen ze volledig synchroon met elkaar. “In zekere zin kun je ze als een enkel stuk informatie zien”, zei Avshalom.

    Wanneer de reizende fotonen Argonne bereiken, meten wetenschappers ze daar en halen ze de sleutel eruit.

    Iedereen die probeert het netwerk te hacken om de sleutel te onderscheppen, zal mislukken, zei Awschalom, omdat de wetten van de kwantummechanica zeggen dat elke poging om deeltjes in een kwantumtoestand te observeren, de deeltjes automatisch verandert en de verzonden informatie vernietigt. Het waarschuwt ook de afzender en ontvanger over de poging tot afluisteren.

    Dit is een van de redenen waarom wetenschappers geloven dat de technologie zo’n belofte inhoudt.

    Amazon doet mee aan race voor kwantumcomputer met nieuw Caltech-centrum

    “Er zijn enorme technische problemen te overwinnen, maar je zou kunnen stellen dat dit net zo belangrijk kan worden als de technische revolutie van de 20e eeuw die ons de laser en de transistor en de atoomklok heeft gegeven, en dus GPS en internet,” Steven Girvin, een natuurkundeprofessor aan Yale, zei over recente ontdekkingen in de kwantumtechnologie.

    In een lab naast de kast proberen Avshalom en zijn collega’s nieuwe apparaten te ontwikkelen waarmee de fotonen informatie over grotere afstanden kunnen vervoeren. De kamer is een krappe wirwar van miljoenen dollars aan laboratoriumapparatuur, lasers en een foto van Thomas de Stoomlocomotief, want een van de instrumenten maakt een constant ploffend geluid. “Het is voor, denk ik, komische waarde”, zei afgestudeerde student Cyrus Zeledon.

    Eén probleem dat ze proberen op te lossen: terwijl de kleine lichtdeeltjes door de glasvezels van het netwerk reizen, zorgen onvolkomenheden in het glas ervoor dat het licht na een bepaalde afstand verzwakt. Dus proberen de onderzoekers apparaten te ontwikkelen die informatie van de lichtdeeltjes kunnen opvangen en opslaan terwijl ze reizen en de informatie vervolgens weer verder kunnen sturen met een nieuw deeltje – zoals een fotonische Pony Express.

    Zeledon droeg paarse latexhandschoenen om beschadiging van het oppervlak te voorkomen en hield een kleine printplaat omhoog met twee chips van siliciumcarbide die hij en zijn collega’s testen als een apparaat om informatie van kwantumbits op te slaan en te controleren. Later die dag was Zeledon van plan de chips af te koelen tot superlage temperaturen en ze onder een microscoop te onderzoeken, om te zoeken naar kwantumbits die hij in de chips had geïmplanteerd en die hij vervolgens met microgolven kon manipuleren om informatie uit te wisselen met fotonen.

    Aan de andere kant van het netwerk op een recente ochtend verontschuldigde Argonne-wetenschapper Joe Heremans, die eerder de student van Avshalom was, zich voor het luide tuffende geluid dat ook rond zijn laboratorium weergalmde.Waar was zijn foto van Thomas de Stoomlocomotief? “We proberen hier iets professioneler te zijn”, grapte hij.

    Heremans en zijn collega’s proberen ook nieuwe apparaten en materialen te ontwikkelen om fotonen te helpen kwantuminformatie over grotere afstanden te vervoeren. Synthetische diamanten zijn een materiaal dat veelbelovend is, zei hij, knikkend naar een reactor die diamanten kweekte met het ijstempo van nanometers per uur.

    Federale financiering van de National Quantum Initiative Act, aangenomen door het Congres en ondertekend door president Donald Trump in 2018, hielp het laboratorium onlangs een tweede reactor te kopen die diamanten sneller zal laten groeien. De Chips and Science Act, ondertekend door president Biden in augustus, biedt extra ondersteuning voor onderzoek en ontwikkeling die de kwantuminspanningen zullen versterken.

    In een hoek van zijn lab wees Heremans naar een Toshiba-machine die identiek was aan die van de Universiteit van Chicago. Van daaruit vervoert een wirwar van kleurrijke draden signalen van en naar het netwerk, dat na het verlaten van het lab in een korte lus onder een nabijgelegen Ikea en Buffalo Wild Wings doorloopt voordat het in beide richtingen naar de universiteit en Fermilab schiet.

    Wetenschappers experimenteren met soortgelijke testbedden in Boston, New York, Maryland en Arizona. Ook in Nederland, Duitsland, Zwitserland en China bestaan ​​experimentele netwerken.

    Het doel is om op een dag al deze testbedden, via glasvezel- en satellietverbindingen, te verbinden met een jong kwantuminternet dat de Verenigde Staten en uiteindelijk de hele wereld overspant. Naarmate het netwerk groeit, zou het idealiter niet alleen kunnen worden gebruikt voor het verzenden van gecodeerde informatie, maar ook voor het verbinden van kwantumcomputers om hun verwerkingskracht te vergroten, zoals de cloud dat doet voor huidige computers.

    “Het idee van een kwantuminternet is iets dat heel erg in het proces van geboren worden is”, zei Smith.