’s Werelds eerste datalinklaag-protocol quantumbrengt quantuminternet stap dichterbij

Onderzoekers van QuTech, een samenwerking tussen TNO en TU Delft, hebben een wereldprimeur op het gebied van quantuminternettechnologie gerealiseerd. Een team onder leiding van professor Stephanie Wehner heeft een zogenaamd 'link layer protocol' ontwikkeld dat het fenomeen van 'quantumverstrengeling' van een fysica-experiment richting een echt kwantumnetwerk brengt. Daarmee komt de dag dat quantuminternet werkelijkheid kan worden dichterbij, evenals toepassingen die onmogelijk te realiseren zijn met het ‘klassieke’ internet. Het werk is vandaag gepubliceerd op ACM SIGCOMM.

Robuuste datatransmissie
In de klassieke informatica stelt een verzameling softwarelagen – de netwerkstack –computers in staat om met elkaar te communiceren. De basis van de netwerkstack wordt gevormd door communicatieprotocollen, zoals het internetprotocol of het http-protocol. Stephanie Wehner legt uit dat het datalinklaag-protocol een van de essentiële protocollen is, waarvan een netwerk gebruikt maakt. Dit protocol lost problemen op die het gevolg zijn van onvolmaakte hardware: “We maken allemaal dagelijks gebruik van klassieke datalinklaag-protocollen. Denk bijvoorbeeld aan wifi, waarbij een onbetrouwbaar radiosignaal, dat onderhevig is aan onderbrekingen en storing, kan worden gebruikt om betrouwbaar data door te geven tussen compatibele apparaten.”

Voor een quantumnetwerk, dat is gebaseerd op de transmissie van quantumbits (‘qubits’), is eenzelfde niveau van betrouwbaarheid nodig. Stephanie Wehner: “In ons werk hebben we een voorstel gedaan voor een quantum-netwerkstack en ’s werelds eerste datalinklaag-protocol voor een quantumnetwerk gebouwd.”

Veeleisende fysica
Het blijkt dat bestaande klassieke protocollen in de quantumwereld onbruikbaar zijn. Eén uitdaging wordt gevormd door verschillen tussen de gebruikte technologieën. Stephanie Wehner: “Momenteel kunnen qubits niet erg lang in het geheugen worden gehouden. Dat betekent dat zeer snel moet worden beslist wat hiermee moet worden gedaan. Door dit datalinklaag-protocol te creëren hebben we obstakels overwonnen die het gevolg zijn van zeer veeleisende fysica.”

Er zijn ook fundamentele verschillen tussen het quantuminternet van de toekomst en het internet van vandaag. Stephanie Wehner leg uit dat twee quantumbits met elkaar ‘verstrengeld’ kunnen zijn: “Die verstrengeling lijkt op een verbinding. Bij klassieke datalinklaag-protocollen, waarbij we meestal alleen signalen verzenden, is dat heel anders. Daarbij is geen verbinding op fundamenteel niveau ingebouwd.”

Quantuminternet
Het verschijnsel verstrengeling vormt de basis van het quantuminternet. Als twee fundamentele deeltjes met elkaar verstrengeld zijn, zijn ze zodanig met elkaar verbonden dat niets anders deel kan uitmaken van die verbinding. Volgens onderzoeker Axel Dahlberg maakt dat een geheel nieuw scala aan toepassingen mogelijk: “Beveiliging is een belangrijke toepassing. Het is fysiek onmogelijk om een verstrengelde netwerkverbinding tussen twee gebruikers af te luisteren. Daarnaast kan de technologie bijvoorbeeld de synchronisatie van klokken verbeteren, of een verbinding maken tussen astronomische telescopen die zich ver van elkaar bevinden, zodat deze als één grote telescoop functioneren.”

Volgens onderzoeker Matthew Skrzypczyk is een belangrijk voordeel van de voorgestelde quantum-netwerkstack en het datalinklaag-protocol dat toekomstige software die gebruikmaakt van het protocol compatibel zal zijn met een groot aantal quantum-hardwareplatforms. “Om gebruik te kunnen maken van ons datalinklaagprotocol is het niet nodig om te weten wat de onderliggende quantumhardware is. Voor onze paper hebben we onderzoek gedaan naar de prestaties van het protocol met stikstofholtecentra in diamant, wat in essentie kleine quantumcomputers zijn. Maar ons protocol kan bijvoorbeeld ook worden geïmplementeerd met ionenvallen. Dat betekent dat ons datalinklaag-protocol in de toekomst met verschillende soorten quantumhardware kan worden gebruikt.”

Het bouwen van een quantumnetwerksysteem
De volgende stap zal zijn om een nieuw netwerklaag-protocol te testen en demonstreren met behulp van het datalinklaag-protocol. Stephanie Wehner: “Met ons datalinklaag-protocol kunnen we betrouwbaar verstrengeling genereren tussen twee netwerkknooppunten die met een directe fysieke verbinding, zoals een glasvezelkabel, met elkaar zijn verbonden. De volgende stap is het produceren van verstrengeling tussen netwerkknooppunten die niet direct via glasvezel met elkaar zijn verbonden, met behulp van een tussenliggend knooppunt. Om grootschalige quantumnetwerken te realiseren is het belangrijk om verder te gaan dan een natuurkundig experiment en een aanzet te maken met het bouwen van een quantumnetwerksysteem. Dat is een van de doelstellingen van de door de EU-gefinancierde Quantum Internet Alliance (QIA).”

Als het datalinklaag-protocol wordt gebruikt kan software in een hogere laag verstrengeling aanvragen zonder te hoeven weten wat voor quantumhardwaresysteem er wordt gebruikt. 
De afbeelding is gratis te gebruiken, bron: QuTech/Scixel. 

Publicatie
A Link Layer Protocol for Quantum Networks, door Axel Dahlberg et al. 
Publicatie ACM SIGCOMM https://dl.acm.org/authorize?N680258
Gratis preprint: https://arxiv.org/abs/1903.09778 

Contactpersoon
Stephanie Wehner, S.D.C.Wehner@tudelft.nl. Neem contact op met het secretariaat van QuTech via 015 2786133 om een telefoongesprek te plannen.