Forskare från QuTech har uppnått världens första inom kvantinternetteknik. Ett team under ledning av professor Stephanie Wehner har utvecklat ett så kallat länklagerprotokoll som för fenomenet kvantinvikling från experimentell fysik till ett verkligt kvantnätverk. Detta för närmare dagen då kvantinternet kan bli verklighet, leverera applikationer som är omöjliga att uppnå via klassiskt internet. Arbetet presenterades idag på ACM SIGCOMM.

I klassisk databehandling, en samling programvarulager som kallas nätverksstacken tillåter datorer att kommunicera med varandra. Bakom nätverksstacken finns kommunikationsprotokoll, t.ex. internetprotokollet eller HTTP. Stephanie Wehner förklarade att ett viktigt protokoll som används av ett nätverk är länklagerprotokollet, som övervinner problemen som orsakas av ofullkomlig hårdvara:"Vi använder alla klassiska länklagerprotokoll i vardagen. Ett exempel är Wi-Fi, vilket gör att en opålitlig radiosignal - som lider av avbrott och störningar - kan användas för att överföra data tillförlitligt mellan kompatibla enheter. "

Ett kvantnätverk, baserat på överföring av kvantbitar, eller qubits, kräver samma tillförlitlighet. Stephanie Wehner säger, "I vårt arbete, vi har föreslagit en kvantnätverksstack, och har konstruerat världens första länklagerprotokoll för ett kvantnätverk. "

Det visar sig att befintliga klassiska protokoll inte kan hjälpa i kvantvärlden. En utmaning presenteras av skillnader mellan de tekniker som används. Stephanie Wehner:"För närvarande, qubits kan inte hållas i minnet särskilt länge. Detta innebär att kontrollbeslut om vad de ska göra med dem måste tas mycket snabbt. Genom att skapa detta länklagerprotokoll, vi har övervunnit hinder som presenteras av en mycket krävande fysik. "

Det finns också några grundläggande skillnader mellan ett framtida kvantinternet och internet som vi ser idag. Stephanie Wehner sa att två kvantbitar kan trasslas in:"Sådan trassel är som en anslutning. Detta är mycket annorlunda än situationen för klassiska länklagerprotokoll där vi vanligtvis bara skickar signaler. I så fall, det finns ingen känsla av anslutning inbyggd på en grundläggande nivå. "

Quantum internet

Fenomenet trassel utgör grunden för ett kvantinternet. När två grundläggande partiklar trasslar in sig, de är förbundna med varandra på ett sådant sätt att inget annat kan ha någon del av denna anslutning. Forskaren Axel Dahlberg sa att detta möjliggör ett helt nytt användningsområde "Säkerhet är en viktig applikation. Det är fysiskt omöjligt att avlyssna en intrasslad nätverksanslutning mellan två användare. För att ge ett annat exempel, tekniken möjliggör också förbättrad klocksynkronisering, eller så kan det förena astronomiska teleskop som är långt ifrån varandra, så de fungerar som ett stort enda teleskop. "

Forskaren Matthew Skrzypczyk sa att en viktig egenskap hos den föreslagna kvantnätverksstacken och länklagerprotokollet är att eventuell framtida programvara som skrivs med protokollet kommer att vara kompatibel med många kvantmaskinvaruplattformar. "Någon som använder vårt länklagerprotokoll behöver inte längre veta vad den underliggande kvantmaskinvaran är. I vårt papper, vi studerar protokollets prestanda på kväve-vakanscentra i diamant, som i huvudsak är små kvantdatorer. Dock, vårt protokoll kan också implementeras på jonfällor, till exempel. Detta innebär också att vårt länklagerprotokoll kan användas i framtiden på många olika typer av kvantmaskinvara. "

Bygga ett kvantnätverk

Stephanie Wehner sa att nästa steg blir att testa och demonstrera ett nytt nätverkslagerprotokoll med hjälp av länklagerprotokollet:"Vårt länklagerprotokoll gör att vi på ett tillförlitligt sätt kan generera intrassling mellan två nätverksnoder anslutna med en direkt fysisk länk, såsom en telekomfiber. Nästa steg är att skapa intrassling mellan nätverksnoder som inte är direkt anslutna med en fiber, med hjälp av en mellanliggande nod. För att förverkliga storskaliga kvantnätverk, det är viktigt att gå längre än ett fysikaliskt experiment, och gå mot att bygga ett kvantnätverk. Detta är ett av EU EU-finansierade Quantum Internet Alliance (QIA) mål. "