By Sandra Hessel geplaatst 13 sep 2022
Quantum-nieuwsberichten vandaag wordt geopend met “Inzichten uit een bezoek aan IBM’s Quantum Research Labs”, gevolgd door Device-onafhankelijk QKD (DIQKD)-onderzoek dat hacken nutteloos zal maken; en ten derde een rapport over onderzoekers die een ultradun ‘Metasurface’-apparaat ontwikkelen voor kwantumtechnologie en MEER.
Inzichten uit een bezoek aan IBM's Quantum Research Labs
Kevin Krewell, een medewerker van Forbes, bezocht onlangs IBM's Quantum Research Labs in Yorktown Heights, New York en sprak met Jay Gambetta, IBM Fellow en VP van Quantum Computing, IBM Research en zijn team dat werkt aan de vooruitgang van quantum computing. Quantum News Briefs vat de belangrijkste punten hieronder samen. Lees hier het volledige interview en de analyse.
Krewall opent met deze uitleg: “Het doel van de IBM-onderzoekers is om quantum computing zo alomtegenwoordig mogelijk te maken om unieke problemen op te lossen. Om kwantumsystemen toegankelijker te maken, moeten ze ‘cloud-native’ of ‘serverloos’ worden, in die zin dat ze een cloudbron worden die op basis van gebruik in rekening wordt gebracht. In dit tijdperk van opgesplitste datacenters kan quantum een van de gespecialiseerde rekenelementen zijn die beschikbaar zijn voor klassieke computers, net zoals GPU’s dat tegenwoordig zijn.”
Krewall bespreekt vervolgens het doel van IBM van 1 miljoen qubits: IBM Research volgt een soortgelijk pad als dat van klassieke computers: zet meer en snellere qubits op een chip met behulp van siliciumschaling; verbind meerdere kwantumdobbelstenen als tegels; en clusters van kwantumcomputers bouwen die samenwerken.
Hoewel het doel is om systemen te bouwen met miljoenen onbewerkte qubits voor fouttolerante kwantumcomputers, kan er in de tussentijd veel werk worden gedaan om de prestaties van onbewerkte qubits te verbeteren, zodat ze sneller meer werk kunnen doen door gebruik te maken van kwantumfoutbeperking. Om betere kwantumresultaten te krijgen met behulp van de relatief luidruchtige en kortlevende qubits van vandaag, zijn een aantal oplossingen nodig. IBM Research heeft een aantal foutbeperkende technieken bedacht die nuttig blijken.
Het uiteindelijke doel van praktische kwantumcomputers is om een voordeel te bieden ten opzichte van klassieke computers om belangrijke problemen binnen een redelijk tijdsbestek op te lossen.
*****
Onderzoekers ontwikkelen ultradun ‘Metasurface’-apparaat voor kwantumtechnologie
Wetenschappers bij Watermeloen Nationale Laboratoria en de Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht hebben gerapporteerd over een apparaat dat een kamer vol apparatuur zou kunnen vervangen om fotonen met elkaar te verbinden in een bizar kwantumeffect dat verstrengeling wordt genoemd. Dit apparaat – een soort nano-gemanipuleerd materiaal dat een metasurface wordt genoemd – maakt de weg vrij voor het verstrengelen van fotonen op complexe manieren die niet mogelijk waren met compacte technologieën.
Onderzoek naar het baanbrekende apparaat, dat honderd keer dunner is dan een vel papier, werd deels uitgevoerd in het Centrum voor geïntegreerde nanotechnologie, een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy Office of Science, beheerd door de nationale laboratoria van Sandia en Los Alamos. Sandia’s team ontving financiering van het Office of Science, Basic Energy Sciences-programma.
Het nieuwe metasurface fungeert als een toegangspoort tot dit ongewone kwantumfenomeen. In sommige opzichten lijkt het op de spiegel in Lewis Carrols ‘Through the Looking-Glass’, waardoor de jonge hoofdpersoon Alice een vreemde, nieuwe wereld ervaart.
In plaats van door hun nieuwe apparaat te lopen, schijnen wetenschappers er een laser doorheen. De lichtstraal gaat door een ultradun glasmonster bedekt met structuren op nanoschaal gemaakt van een gangbaar halfgeleidermateriaal genaamd galliumarsenide. “Het gooit alle optische velden door elkaar”, zegt Sandia senior wetenschapper Igal Brener, een expert op een gebied dat niet-lineaire optica wordt genoemd en die leiding gaf aan het Sandia-team. Af en toe, zei hij, komt er een paar verstrengelde fotonen met verschillende golflengten uit het monster in dezelfde richting als de binnenkomende laserstraal.
Het Science-artikel schetst hoe het team met succes hun metasurface heeft afgestemd om verstrengelde fotonen met verschillende golflengten te produceren, een cruciale voorloper van het tegelijkertijd genereren van verschillende paren ingewikkeld verstrengelde fotonen.
*****
Apparaat-onafhankelijke QKD (DIQKD) maakt hacken zinloos
Apparaatonafhankelijke QKD (afgekort DIQKD) is theoretisch al bekend sinds de jaren negentig, maar is nog maar net experimenteel geïmplementeerd door een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Ludwig Maximilian Universiteit van München natuurkundige Harald Weinfurter en Charles Lim van de National University of Singapore (NUS). Het cryptografische protocol wordt niet beïnvloed door het apparaat. Quantum News Briefs vat het recente rapport van SciTechDaily samen en deelt het.
Met conventionele QKD-methoden is de veiligheid alleen gegarandeerd als de gebruikte kwantumapparaten voldoende goed zijn gekarakteriseerd. “En dus moeten gebruikers van dergelijke protocollen vertrouwen op de specificaties van de QKD-providers en erop vertrouwen dat het apparaat tijdens de sleuteldistributie niet naar een andere bedieningsmodus zal overschakelen”, legt Tim van Leent uit, een van de vier hoofdauteurs van de papier naast Wei Zhang en Kai Redeker. Het is al minstens tien jaar bekend dat oudere QKD-apparaten gemakkelijk van buitenaf kunnen worden gehackt, vervolgt Van Leent.
Bij DIQKD wordt de test “specifiek gebruikt om ervoor te zorgen dat er geen manipulaties aan de apparaten plaatsvinden – dat wil zeggen dat bijvoorbeeld verborgen meetresultaten niet vooraf in de apparaten zijn opgeslagen”, legt Weinfurter uit.
“Met onze methode kunnen we nu geheime sleutels genereren met onbekende en potentieel onbetrouwbare apparaten”, legt Weinfurter uit.
Een van de volgende doelen is om het systeem uit te breiden met verschillende verstrengelde atoomparen. “Hierdoor zouden veel meer verstrengelingstoestanden kunnen worden gegenereerd, wat de datasnelheid en uiteindelijk de belangrijkste beveiliging verhoogt”, zegt van Leent.
*****
De geopolitieke haast om kwantumtechnologieën te ontwikkelen, gezien vanuit India
De Verenigde Staten, China, Rusland en Groot-Brittannië zijn mondiaal spelers die een voorsprong hebben in het quantumdomein. De intentie van landen om kwantumcomputers te ontwikkelen is onweerstaanbaar geworden krijgen een strategische voorsprong op het gebied van cyberbeveiliging, inlichtingenoperaties en de economische industrie. Ved Shinde is een student politieke wetenschappen en economie aan het St Stephens College, de Universiteit van Delhi, India en is de auteur van dit overzicht van de mondiale kwantumontwikkeling in The Geopolitics.
De hierboven genoemde landen hebben dat wel gedaan gewijd exponentiële monetaire middelen voor kwantumonderzoek en -ontwikkeling. Momenteel huisvesten de Verenigde Staten de grootste kwantumcomputer ter wereld, IBM’s Eagle. IBM ook zoekt om de kwantumruimte te domineren met een megacomputerchip die potentieel meer dan 1.000 qubits zou kunnen verwerken. Technologische grootmachten als Google, Microsoft en IBM zijn allemaal Amerikaanse bedrijven die ervoor zorgen dat de Verenigde Staten een sterke voorsprong kunnen behouden op het gebied van quantum computing.
China, de Verenigde Staten en Groot-Brittannië hebben concurrerende nationale plannen voor het aantrekken van computertalent en -expertise. Bijvoorbeeld de Chinese hebben hun ‘Duizend Talenten Plan’ dat de aandacht van de hele wereld heeft gefixeerd. Peking geeft geld uit om wetenschappers en onderzoekers te lokken. China heeft dat ook investeerde in twee verschillende architecturale trajecten voor het verkrijgen van computationele voordelen in kwantum suprematie. Deze routes zijn op licht gebaseerde Gaussiaanse bosonbemonstering en op elektronen gebaseerde willekeurige kwantumcircuitbemonstering, die ook wordt gebruikt in IBM's Eagle.
Zowel de Verenigde Staten als China hebben verdere beperkingen opgelegd aan binnenlandse bedrijven om de technologische uitwisseling met elkaar te beperken. Dit heeft vanuit verschillende hoeken vragen opgeroepen over de geopolitieke dynamiek die de toeleveringsketens van kwantumtechnologie vormgeeft. Vanwege hun geconcentreerde en kapitaalintensieve karakter staan deze toeleveringsketens onder druk bedreiging van geopolitieke rivaliteit. Dit zal intensiveren naarmate regimes voor intellectueel eigendom en mondiale standaarden voor kwantumtechnologieën worden ontwikkeld.
Frankrijk, Duitsland, Australië, Canada, Zwitserland, Oostenrijk, Israël, Nederland, India, Zuid-Korea, Singapore en Japan zijn er maar een paar anders naties die ook hebben vervaardigd goed gedefinieerde nationale initiatieven op het gebied van kwantumtechnologieën.
Voor een land als India bieden kwantumtechnologieën meerdere mogelijkheden. Experts Wij wijzen erop dat kwantumencryptie de communicatie kan beveiligen, dat kwantumsimulatie kan helpen bij het verkennen van materialen voor groene technologieën en dat kwantumdetectie kan helpen bij het in kaart brengen van de impact van klimaatverandering. India heeft al een Nationale Missie voor Quantum Technologieën en Toepassingen (NMQTA) gelanceerd met een totaal budget uitgave van achtduizend crore roepies en heeft aangetoond dat het van plan is deze technologieën te ontwikkelen.
*****
Sandra K. Helsel, Ph.D. doet sinds 1990 onderzoek naar en rapporteert over grenstechnologieën. Ze heeft haar Ph.D. van de Universiteit van Arizona.
