Gaatjes laten verstrengelde fotonen door

 
De quantumcomputer is een nieuw type computer dat veel sneller is dan de 'klassieke' computer zoals we die nu kennen. We kunnen de quantumcomputer bijvoorbeeld gebruiken om supersnel allerlei ingewikkelde berekeningen uit te voeren of om tot dusver onbreekbare codes voor cryptografie mee te breken. Het principe van de quantumcomputer is gebaseerd op één van die effecten uit de quantummechanica die in het alledaagse leven zo onbegrijpelijk zijn: één en hetzelfde deeltje kan op twee plaatsen tegelijk zijn.

Quantumverstrengeling
De quantumcomputer rekent met behulp van zogenaamde verstrengelde deeltjes. Wanneer twee deeltjes verstrengeld zijn is de toestand van de afzonderlijke deeltjes onbepaald, totdat een bepaalde eigenschap van één van de deeltjes gemeten wordt. Op exact hetzelfde moment dat deze meting wordt gedaan, is de corresponderende eigenschap van het andere deeltje dan ook bekend, hoe groot de afstand tussen de twee deeltjes ook is. Het ene deeltje kan zich bijvoorbeeld op Aarde bevinden en het andere op Jupiter. Volgens Einstein was dit fenomeen in conflict met zijn relativiteitstheorie, die zegt dat er geen informatie met een snelheid groter dan die van het licht kan reizen, terwijl dat bij quantumverstrengeling wél gebeurt omdat bij meting de deeltjes gelijktijdig hun afzonderlijke toestanden innemen. Later hebben anderen laten zien dat dit conflict er niet is. Hoewel er nog geen werkende quantumcomputers zijn, zijn er al wel eenvoudige berekeningen uitgevoerd volgens hetzelfde principe.

Overdracht van verstrengeling
Quantumverstrengeling is al in de jaren tachtig aangetoond met twee fotonen. Voor het maken van een quantumcomputer is het echter gewenst om de verstrengeling van fotonen op andere deeltjes te kunnen overdragen. Het is de Leidse onderzoekers gelukt om de quantumverstrengeling van twee fotonen over te dragen op een ander type deeltje, het zogenaamde oppervlakteplasmon. In het experiment maken ze gebruik van een dun metaalplaatje met daarin een roosterpatroon van kleine gaatjes (zie figuur 1). Deze gaatjes hebben een diameter van 200 nanometer; ze zijn daarmee kleiner dan 1/200 van de dikte van een haar én kleiner dan de golflengte van het gebruikte licht, 813 nanometer. Normaal gesproken komt er bijna geen licht door zulke gaatjes. Hetzelfde principe zie je ook bij een magnetron: de microgolven met lange golflengte lekken niet door het kippengaas in de deur (de gaten zijn kleiner dan de golflengte van de microgolven), maar zichtbaar licht met een golflengte kleiner dan de gaatjes gaat er wel doorheen.

In 1998 vond men dat metaalplaatjes met kleine gaatjes toch een onverwacht grote hoeveelheid licht kunnen doorlaten, soms zelfs meer dan er direct op de gaatjes valt. Dit komt doordat het invallende licht wordt omgezet in oppervlakteplasmonen. Een oppervlakteplasmon is een dichtheidsgolf in de elektronen aan het oppervlak van een metaal; deze dichtheidsgolf manifesteert zich als een deeltje met een zekere energie en impuls. In de metalen roosters lopen deze oppervlakteplasmonen langs het metaaloppervlak en kruipen door de gaatjes waar de fotonen niet doorheen kunnen. Aan de achterkant worden ze weer omgezet in fotonen met dezelfde golflengte als de invallende fotonen (licht) (zie figuur 2). Met het oog op de magnetron hoeft de lezer zich overigens geen zorgen te maken, want daar spelen oppervlakteplasmonen geen rol.

Van deze omzetting van licht naar oppervlakteplasmon (en terug) maken Altewischer, Van Exter en Woerdman gebruik in hun experiment. Startpunt is het maken van twee verstrengelde fotonen. Deze fotonen ontstaan door een speciaal kristal, (beta)-bariumboraat, met een laserbundel te beschijnen. Dit niet-lineaire kristal splitst een inkomend foton op in twee fotonen met een twee keer zo lange golflengte (813 nanometer). De polarisatierichtingen van deze fotonen zijn verstrengeld: van de afzonderlijke fotonen is niet bekend wat de polarisatierichting is, maar wel is zeker dat de polarisatierichtingen altijd loodrecht op elkaar staan.

Vervolgens lieten de onderzoekers de verstrengelde fotonen op een metalen plaat met gaatjes vallen en keken of de verstrengeling behouden bleef na het doorlopen van het rooster. Hiervoor maten de onderzoekers het verband tussen de polarisatierichtingen van de uitkomende fotonparen. Verstrengeling is in het algemeen erg kwetsbaar en wordt al verstoord door er, bij wijze van spreken, naar te kijken, ofwel door er aan te meten. Ook de omzetting van foton naar oppervlakteplasmon zou als een meting opgevat kunnen worden en de verstrengeling verstoren. De fotonen die aan de achterzijde uit het rooster kwamen, bleken echter verstrengeld.

Plasmonen lopen weg
Daarnaast ontdekten de onderzoekers dat de overdracht niet altijd werkt. Als ze de lichtbundel van verstrengelde fotonen die op het metaalplaatje binnenvalt heel klein maakten met een lens, maar nog wel zo groot dat de lichtbundel vele gaatjes besloeg, dan gebeurde er iets onverwachts: de mate van verstrengeling van de uitkomende fotonen werd kleiner dan die van de invallende fotonen. De verklaring hiervoor is dat de oppervlakteplasmonen een bepaalde afstand langs het metaaloppervlak reizen voordat zij door een gaatje gaan. Ze kunnen hierbij uit het cirkelvormige profiel van de inkomende bundel weglopen, en daarmee de quantumverstrengeling verstoren. Zonder lens is dit effect niet zichtbaar, omdat de invallende lichtbundel dan veel breder is dan de 'wegloopafstand' (zie figuur 3). Een interessant detail hierbij is dat aan de manier waarop de verstrengeling vermindert te zien is dat de oppervlakteplasmonen zich hoofdzakelijk in diagonale richting bewegen. Deze richting wordt voornamelijk bepaald door de vierkante symmetrie van het rooster.

Hiermee toonden de wetenschappers voor het eerst aan dat de quantumverstrengeling van fotonen op oppervlakteplasmonen kan worden overgedragen en omgekeerd. De roosters kunnen gebruikt worden om de verstrengeling van fotonen te manipuleren en zijn zo een flinke stap in de goede richting voor het maken van schakelingen voor de quantumcomputer.

Meer informatie is te verkrijgen bij drs. Erwin Altewischer, Leids Instituut voor Onderzoek in de Natuurkunde, Leiden, telefeoon (071) 527 59 32, of dr. Martin van Exter, telefoon (071) 527 59 27 of op: http://molphys.leidenuniv.nl.