Controle over vorm lichtpakketje opent deur naar ‘kwantum-internet’

Kwantumcomputers zijn de gedroomde computers van de toekomst. Ze gebruiken de onnavolgbare natuurkunde van de kleinste deeltjes – de kwantummechanica – om mee te rekenen. Waar de huidige computers bits gebruiken die 0 óf 1 kunnen zijn, rekenen kwantumcomputers met zogeheten qubits, die bovendien 0 én 1 kunnen zijn. Dat geeft een ongekende hoeveelheid extra rekenkracht, waardoor kwantumcomputers tot veel meer in staat zijn dan de huidige computers.

Kwantum-internet

Kwantumcomputers zouden met elkaar kunnen communiceren, en zo een ‘kwantum-internet’ vormen, via de uitwisseling van losse fotonen. Maar dit luistert heel nauw. De vorm van het lichtpakketje, ofwel hoe de energie ervan 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 beheersing van dit proces is vereist. 

Optische trilholte

Onderzoekers van de TU/e en FOM slaagden erin deze beheersing te krijgen door een kwantum 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 kwantum 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 beheersen, zodanig dat de energie de gewenste symmetrische vorm heeft.

Binnen een miljardste seconde

Nieuw is dat ze de eerste zijn die dit kunstje, dankzij het gebruik van zeer korte elektrische impulsen, klaarspelen binnen een nanoseconde. Dat is cruciaal voor de toepassing in kwantumcommunicatie, 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. Net zoals 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 regelen, kun je in principe een zeer efficiënte uitwisseling van fotonen realiseren, wat belangrijk is voor het toekomstige kwantum-internet."

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.