Hoe zorg je ervoor dat je e-mail alleen aankomt bij de geadresseerde? Omdat digitale informatie redelijk eenvoudig afgetapt kan worden, zijn er manieren bedacht om informatie te versleutelen. De tekst van je e-mail wordt door jouw verzendservice omgezet in een soort geheimschrift, dat alleen vertaald kan worden door jou en door degene die het mailtje krijgt. Dat gebeurt met een sleutel, een soort ontcijfercode die los verstuurd wordt. Maar hoewel die sleutels steeds moeilijker te kraken worden, kan een kwaadwillende afluisteraar nog steeds jouw informatie onderscheppen en proberen te ontcijferen, zonder dat jij het doorhebt.

Door de mand

Aan de Technische Universiteit Eindhoven werkt Andrea Fiore met zijn onderzoeksgroep aan een waterdichte manier om informatie te versleutelen. Hun hoop is gevestigd op het gebruik van individuele lichtdeeltjes (fotonen). Als zulke deeltjes gebruikt kunnen worden als ‘sleutel’ voor digitale informatie is het afluisterprobleem verleden tijd. De wetten van de kwantumfysica stellen namelijk dat het meten van de eigenschappen van zo’n enkel deeltje die eigenschappen ook gelijk veranderen. Als de fotonen onderschept worden, zijn ze daarom niet langer de juiste fotonen om de informatie die wordt verzonden te ontcijferen. De ontvanger van het bericht merkt dat er iets mis is gegaan, en de afluisteraar valt direct door de mand.

Helaas is het niet eenvoudig om losse fotonen als sleutel te gebruiken. Enkele lichtdeeltjes zijn moeilijk te detecteren, zeker als ze zo’n lage energie hebben als de infrarode fotonen die in de telecommunicatie gebruikt worden. Bovendien is de kans dat een enkel foton dat een hele lange weg af moet leggen kwijt raakt heel groot. Het detectieprobleem is opgelost door een Russische onderzoeksgroep, die supergeleidende draden inzet om zelfs de kleinste pakketjes energie heel nauwkeurig te meten. Over het tweede probleem gaan Fiore en zijn team zich buigen.

Quantum repeaters

Om enkele fotonen een lange afstand af te laten leggen zonder ze verloren te laten gaan, is een soort versterking nodig. Gewone versterkers zijn daarvoor niet geschikt omdat ze van het zwakke lichtsignaal eerder de ruis zouden versterken dan het signaal zelf. Daarom wordt in Eindhoven gewerkt aan zogenaamde quantum repeaters. Deze apparaatjes moeten in staat zijn om een foton precies na te maken. Andrea Fiore en zijn groep doen onderzoek naar het gebruik van quantum dots om deze foton-herhalers te bouwen. Quantum dots kunnen fotonen van een unieke kleur uitzenden, maar het is heel moeilijk om twee precies dezelfde dots te maken.

Door quantum dots te onderwerpen aan een elektrisch veld probeert Fiore om ze na de productie bij te stellen, zodat hij een serie identieke quantum repeaters kan maken. Door die daarna op een rij te zetten moet het mogelijk worden om een enkel foton dat door de eerste quantum dot wordt uitgezonden een flink aantal keren te herhalen, zodat het signaal luid en duidelijk bij de ontvanger aankomt. Aftappen is met zo’n systeem niet langer mogelijk, en gevoelige zaken zoals stemmen en betalen kunnen dan veilig via het internet worden geregeld.

Van lab naar chip

Maar voordat we zover zijn is er nog een hoop onderzoek te verrichten. De opstelling waarmee Andrea Fiore zijn quantum repeaters ontwikkelt neemt een heel laboratorium in beslag, en moet continu gekoeld worden met vloeibaar stikstof. Voordat het praktisch toegepast kan worden moet het hele systeem terug worden geschroefd naar de grootte van een chip. Een flinke uitdaging, maar met behulp van de Vici-subsidie zullen Andrea Fiore en zijn team vast een heel eind komen.