Controle over vorm lichtpakketje opent deur naar 'quantum-internet'
TU/e- en FOM-onderzoekers krijgen grip op verzenden van ultrasnelle fotonen.
Net als we nu computers in een netwerk met elkaar verbinden via optische signalen, zou dit met gedroomde quantumcomputers ook kunnen om zo een 'quantum-internet' te vormen. Het optische signaal zou in dat geval bestaan uit enkele lichtdeeltjes, fotonen. Een vereiste voor een werkend quantum-internet is controle over de vorm van deze lichtpakketjes. Voor het eerst slaagden onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) en Stichting FOM erin deze controle te krijgen met de daarvoor benodigde snelheid. Dit schrijven ze aanstaande maandag in het tijdschrift Nature Communications.
Quantumcomputers zijn de gedroomde computers van de toekomst. Ze gebruiken de onnavolgbare natuurkunde van de kleinste deeltjes die er bestaan - de quantummechanica - om mee te rekenen. Waar de huidige computers bits gebruiken die 0 óf 1 kunnen zijn, rekenen quantumcomputers met zogeheten qubits, die bovendien 0 én 1 kunnen zijn. Dat geeft een ongekende hoeveelheid extra rekenkracht, waardoor quantumcomputers tot veel meer in staat zijn dan de huidige computers.
Quantum-internet
Quantumcomputers zouden met elkaar kunnen communiceren, en zo een 'quantum-internet' vormen, via de uitwisseling van losse fotonen. Maar dit luistert heel nauw. De vorm van het lichtpakketje, ofwel hoe diens energie is uitgespreid over de tijd, is bepalend voor een succesvolle informatieoverdracht. Deze vorm dient symmetrisch te zijn, terwijl van nature een foton dat door atomen wordt uitgezonden een asymmetrische vorm heeft. Kortom, externe controle op dit proces is vereist.
Onderzoekers van de TU/e en FOM slaagden erin deze controle te krijgen door een quantum dot, een stukje halfgeleidermateriaal dat fotonen kan uitzenden, in te bouwen in een zogeheten fotonisch kristal. Hierdoor ontstaat wat fysici een 'optische trilholte' noemen. Vervolgens legden de onderzoekers een zeer korte elektrische puls aan in de trilholte, die bepaalt hoe de quantum dot wisselwerkt met de trilholte en hoe het foton wordt uitgezonden. Door de sterkte hiervan slim te variëren konden ze de vorm van de fotonen controleren, zodanig dat de energie de gewenste symmetrische vorm heeft.
Nieuw is dat ze de eerste zijn die dit kunstje, dankzij het gebruik van zeer korte elektrische pulsen, klaarspelen binnen een nanoseconde, een miljardste seconde. Dat is cruciaal voor de toepassing in quantumcommunicatie, volgens onderzoeksleider Andrea Fiore van de TU Eindhoven. "De energie van een foton strekt zich slechts over één nanoseconde uit, dus als je iets wilt aanpassen, moet je dat binnen die tijd doen. Vergelijkbaar met dat de sluitertijd van een camera zeer kort moet zijn om iets heel snels te kunnen fotograferen. Met de snelheid waarmee wij de verzending van een foton controleren, kun je in principe een zeer efficiënte uitwisseling van fotonen realiseren, wat belangrijk is voor het toekomstige quantum-internet."
Referentie
Francesco Pagliano et al, Dynamically controlling the emission of single excitons in photonic crystal cavities, Nature Communications (15 December 2014), DOI: 10.1038/ncomm6786.
Het onderzoek is gefinancierd door Stichting FOM en STW.