USTC realiseert doorbraak in quantum-repeaters (2026)

Begin 2026 bereikten onderzoekers van de University of Science and Technology of China (USTC) een historische doorbraak in kwantumcomputing en communicatie door een schaalbare bouwsteen voor kwantumrepeaters te demonstreren. Deze vooruitgang, gepubliceerd in het tijdschrift Nature, maakte gebruik van langlevende trapped-ion kwantumgeheugens en efficiënte telecom-interfaces om verstrengeling tot stand te brengen over 10 kilometer glasvezel. Door de snelle decoherentie van externe kwantumtoestanden te overwinnen, heeft het team onder leiding van Hao Li, Yi Yang en Ye Wang het eerste praktische bewijs geleverd dat kwantumnetwerken op stedelijke schaal fysiek en technologisch haalbaar zijn.

De visie van een wereldwijd kwantuminternet steunt op de naadloze integratie van kwantumcommunicatie, kwantummetrologie en gedistribueerde kwantumcomputing. Een dergelijk netwerk belooft een paradigmaverschuiving in de manier waarop informatie wordt verwerkt en beveiligd, met sensoren met een hoge resolutie en exponentiële versnellingen in computertaken. De fysieke basis van dit netwerk vereist echter de deterministische distributie van verstrengeling — een fenomeen waarbij deeltjes verbonden blijven ongeacht de afstand — over uitgestrekte geografische gebieden. Tot voor kort bleef de infrastructuur die nodig is om deze fragiele verbindingen over lange afstanden in stand te houden de belangrijkste "missing link" in de sector.

Hoe lossen kwantumrepeaters fotonverlies in glasvezels op?

Kwantumrepeaters overwinnen fotonverlies in glasvezels door lange communicatieverbindingen op te delen in kortere segmenten en verstrengelingsuitwisseling (entanglement swapping) te gebruiken om ze te verbinden zonder het signaal direct te versterken. Door kwantumgeheugens te gebruiken om informatie op te slaan in afwachting van de bevestiging van een succesvolle verbinding, voorkomen deze repeaters de decoherentie die gewoonlijk optreedt tijdens transmissie over lange afstanden. Deze methode omzeilt effectief het no-cloning-theorema, dat de versterking van kwantumtoestanden verhindert op de manier waarop klassieke signalen worden versterkt.

In de traditionele glasvezeltelecommunicatie wordt signaalverlies opgevangen via versterkers die de lichtintensiteit verhogen. Op het gebied van kwantumcomputing en communicatie kunnen standaardversterkers echter niet worden gebruikt, omdat elke poging om een kwantumtoestand te kopiëren of te versterken de oorspronkelijke informatie vernietigt. Dit exponentiële fotonverlies in glasvezels heeft kwantumcommunicatie via vezels historisch gezien beperkt tot relatief korte afstanden. Kwantumrepeaters lossen dit op door verstrengeling te genereren binnen lokale segmenten en die verstrengeling vervolgens "uit te wisselen" naar het volgende segment, waardoor een continue verbinding ontstaat die honderden of zelfs duizenden kilometers kan overbruggen zonder dat signaalkloning nodig is.

Welke recente doorbraken vonden er in 2026 plaats op het gebied van kwantumrepeaters?

De belangrijkste doorbraak in 2026 betrof de ontwikkeling van langlevende trapped-ion geheugens en een protocol voor verstrengeling van enkelvoudige fotonen met hoge zichtbaarheid om geheugen-naar-geheugen-verstrengeling over 10 km tot stand te brengen. Dit onderzoek, onder auteurschap van Hao Li en collega's, realiseerde verstrengelingslevensduur die langer is dan de tijd die nodig is voor de opbouw ervan, waarmee het kritieke knelpunt van snelle decoherentie in externe kwantumgeheugens werd opgelost. Dit markeert een overgang van theoretische laboratoriumontwerpen naar functionele hardware die in staat is om kwantumcomputing-netwerken op stedelijke schaal te ondersteunen.

De methodologie die door het USTC-team werd gehanteerd, omvatte verschillende technologische innovaties. Ten eerste maakten ze gebruik van trapped-ion technologie, die aanzienlijk langere coherentietijden biedt in vergelijking met andere solid-state systemen. Ten tweede ontwikkelden ze een efficiënte telecom-interface die de interne kwantumtoestanden van de ionen omzet in fotonen die compatibel zijn met de bestaande glasvezelinfrastructuur. Hierdoor konden de onderzoekers geheugen-naar-geheugen-verstrengeling behouden over een glasvezelverbinding van 10 km binnen de gemiddelde tijd die het kost om die verstrengeling op te bouwen. Deze synchronisatie is een essentiële voorwaarde voor het schalen van het netwerk, omdat het garandeert dat de kwantuminformatie niet verdwijnt voordat de volgende schakel in de keten gereed is.

Hoe maken kwantumrepeaters apparaatonafhankelijke QKD mogelijk?

Kwantumrepeaters maken apparaatonafhankelijke kwantumsleuteldistributie (DI-QKD) mogelijk door verstrengelingsdistributie met hoge getrouwheid uit te breiden over afstanden die onmogelijk zijn voor directe glasvezelverbindingen. Door een positieve geheime sleutelratio over 101 kilometer in de asymptotische limiet te valideren, toonde het USTC-team aan dat kwantumrepeaters "onhackbare" communicatie kunnen faciliteren. Dit zorgt ervoor dat de veiligheid van de communicatie wordt gegarandeerd door de wetten van de fysica, ongeacht de interne onvolkomenheden van de hardware.

De praktische demonstratie van DI-QKD op stedelijke schaal is misschien wel de belangrijkste onmiddellijke toepassing van dit onderzoek. Het team slaagde erin om 1.917 geheime sleutels te extraheren uit ongeveer 405.000 Bell-paren over een afstand van 10 km. Voorheen was DI-QKD ernstig beperkt door afstand; dit nieuwe onderzoek breidt het bereik uit met meer dan twee ordes van grootte. Voor de beveiliging van overheids-, financiële en persoonlijke gegevens vertegenwoordigt dit een verschuiving naar een toekomst waarin kwantumcryptografie gegevens beschermt tegen zelfs de meest geavanceerde klassieke of kwantum-hackingpogingen.

De implicaties voor het veld van kwantumcomputing zijn diepgaand, aangezien deze repeaters dienen als de fundamentele "bouwstenen" voor een schaalbare architectuur. Door te bewijzen dat verstrengeling tot stand kan worden gebracht en lang genoeg kan worden vastgehouden voor zuivering en uitwisseling, hebben Hao Li en zijn collega's een blauwdruk geleverd voor multi-node netwerken. Het vermogen om een positieve sleutelratio te bereiken over 101 km suggereert dat we het punt naderen waarop kwantumnodes geplaatst kunnen worden op intervallen die vergelijkbaar zijn met de huidige klassieke internetknooppunten, wat een hybride infrastructuur mogelijk maakt die de wereld transformeert van klassieke naar kwantumveilige communicatie.

Vooruitblikkend zal de focus van het onderzoek naar kwantumcomputing verschuiven naar de integratie van deze repeatermodules in bestaande commerciële glasvezelnetwerken. De volgende stappen voor het USTC-team en de bredere wetenschappelijke gemeenschap omvatten het optimaliseren van het proces van verstrengelingszuivering (entanglement purification) om de geheime sleutelratio verder te verhogen en het netwerk uit te breiden met meerdere nodes in een mesh-configuratie. Naarmate deze systemen verschuiven van 10 km naar 100 km en uiteindelijk naar wereldwijde schalen, beweegt de droom van een veilig, onderling verbonden kwantuminternet zich van het domein van de theoretische fysica naar de realiteit van de wereldwijde telecommunicatie.

• Primair onderzoek: Een bouwsteen van kwantumrepeaters voor schaalbare kwantumnetwerken.
• Hoofdauteurs: Hao Li, Yi Yang, Ye Wang (USTC).
• Belangrijke mijlpaal: 10 km glasvezelverstrengeling met 101 km asymptotische capaciteit.
• Technologie: Trapped-ion kwantumgeheugens en telecom-interface-conversie.
• Beveiligingstoepassing: Doorbraak in apparaatonafhankelijke kwantumsleuteldistributie (DI-QKD).