Verdens første linklagsprotokol bringer kvanteinternet tættere på en realitet

Forskere fra QuTech har opnået verdens første inden for kvanteinternetteknologi. Et team ledet af professor Stephanie Wehner har udviklet en såkaldt linklagsprotokol, der bringer fænomenet kvantesammenfiltring fra eksperimentel fysik til et kvantenetværk i den virkelige verden. Dette bringer dagen nærmere, hvor kvanteinternet kan blive en realitet, levere applikationer, der er umulige at opnå via klassisk internet. Værket blev præsenteret i dag på ACM SIGCOMM.

I klassisk databehandling, en samling af softwarelag kaldet netværksstakken gør det muligt for computere at kommunikere med hinanden. Underliggende netværksstakken er kommunikationsprotokoller, såsom internetprotokollen eller HTTP. Stephanie Wehner forklarede, at en vigtig protokol, der bruges af et netværk, er linklagsprotokollen, som overvinder problemerne forårsaget af ufuldkommen hardware:"Vi bruger alle klassiske linklagsprotokoller i hverdagen. Et eksempel er Wi-Fi, som gør det muligt at bruge et upålideligt radiosignal - der lider af afbrydelser og interferens - til at overføre data pålideligt mellem kompatible enheder."

Et kvantenetværk, baseret på transmission af kvantebits, eller qubits, kræver samme grad af pålidelighed. Stephanie Wehner siger, "I vores arbejde vi har foreslået en kvantenetværksstak, og har konstrueret verdens første link-lagsprotokol til et kvantenetværk."

Det viser sig, at eksisterende klassiske protokoller ikke kan hjælpe i kvanteverdenen. En udfordring er forskelle mellem de anvendte teknologier. Stephanie Wehner:"I øjeblikket, qubits kan ikke opbevares i hukommelsen ret længe. Det betyder, at kontrolbeslutninger om, hvad de skal gøre med dem, skal tages meget hurtigt. Ved at oprette denne linklagsprotokol, vi har overvundet forhindringer præsenteret af nogle meget krævende fysik."

Der er også nogle grundlæggende forskelle mellem et fremtidigt kvanteinternet og internettet, som vi ser i dag. Stephanie Wehner sagde, at to kvantebits kan sammenfiltres:"En sådan sammenfiltring er som en forbindelse. Dette er meget anderledes end situationen for klassiske linklagsprotokoller, hvor vi typisk bare sender signaler. I så fald, der er ingen følelse af forbindelse indbygget på et grundlæggende niveau."

Kvante internet

Fænomenet sammenfiltring danner grundlaget for et kvanteinternet. Når to fundamentale partikler er viklet ind, de er forbundet med hinanden på en sådan måde, at intet andet kan have nogen del af denne forbindelse. Forsker Axel Dahlberg sagde, at dette muliggør en helt ny række af applikationer "Sikkerhed er en vigtig applikation. Det er fysisk umuligt at aflytte en sammenfiltret netværksforbindelse mellem to brugere. For at give et andet eksempel, teknologien tillader også forbedret klokkesynkronisering, eller det kan samle astronomiske teleskoper, der er langt fra hinanden, så de fungerer som et enormt enkelt teleskop."

Forsker Matthew Skrzypczyk sagde, at et vigtigt træk ved den foreslåede kvantenetværksstak og linklagsprotokollen er, at enhver fremtidig software skrevet ved hjælp af protokollen vil være kompatibel med mange kvantehardwareplatforme. "En person, der gør brug af vores linklagsprotokol, behøver ikke længere at vide, hvad den underliggende kvantehardware er. I vores papir, vi studerer protokollens ydeevne på nitrogen-ledige centre i diamant, som i det væsentlige er små kvantecomputere. Imidlertid, vores protokol kan også implementeres på Ion Traps, for eksempel. Dette betyder også, at vores linklagsprotokol kan bruges i fremtiden på mange forskellige typer kvantehardware."

Opbygning af et kvantenetværkssystem

Stephanie Wehner sagde, at det næste skridt vil være at teste og demonstrere en ny netværkslagsprotokol ved hjælp af linklagsprotokollen:"Vores linklagsprotokol giver os mulighed for pålideligt at generere sammenfiltring mellem to netværksknuder forbundet med en direkte fysisk forbindelse, såsom en telefiber. Det næste trin er at skabe sammenfiltring mellem netværksknuder, som ikke er forbundet direkte af en fiber, ved hjælp af en mellemliggende node. For at realisere kvantenetværk i stor skala, det er vigtigt at gå ud over et fysikeksperiment, og gå i retning af at bygge et kvantenetværkssystem. Dette er et af målene EU-finansierede Quantum Internet Alliance (QIA)."