Drie fotonen winnen het van het klassieke experiment

Hoe identiek twee lichtdeeltjes zijn, is een vraag die cruciaal voor veel quantumtechnologie. Fotonen moeten vrijwel perfect op elkaar lijken om informatie betrouwbaar te kunnen verwerken. Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben een betere manier ontwikkeld om die kwaliteit te meten. In plaats van twee fotonen tegelijk te laten interfereren, gebruiken ze drie fotonen. Daarmee halen ze meer informatie uit één meting en doorbreken ze zelfs de theoretische grens van de klassieke test.

De standaardmethode om lichtdeeltjes te meten, bestaat al sinds 1987 en staat bekend als het Hong-Ou-Mandel-experiment. Twee fotonen worden daarbij op een bundelsplitser gestuurd. Als ze volledig identiek zijn, gedragen ze zich als één quantumtoestand en verlaten ze de bundelsplitser samen. Zijn er verschillen in bijvoorbeeld hun golflengte of timing, dan neemt die gezamenlijke respons af. Zo kunnen onderzoekers bepalen hoe goed hun fotonen op elkaar aansluiten. De methode is inmiddels een basisinstrument binnen de quantumoptica.

Drie fotonen

De Twentse onderzoekers draaien het principe een stap verder. In plaats van één vergelijking tussen twee fotonen voeren ze een experiment uit waarbij drie fotonen tegelijkertijd interfereren. Dat lijkt een kleine uitbreiding, maar levert een fundamenteel voordeel op. Met drie deeltjes ontstaan meer mogelijke interacties en patronen. Daardoor bevat iedere meting meer informatie over de quantumtoestand van de fotonen. De onderzoekers kunnen zo veel nauwkeuriger vaststellen in hoeverre de afzonderlijke lichtdeeltjes van elkaar verschillen.

Het experiment leverde bovendien een opvallend resultaat op: de nieuwe methode presteerde beter dan wat volgens de klassieke aanpak mogelijk zou zijn, zelfs wanneer die oude methode wordt uitgevoerd met een theoretisch perfecte, volledig ruisvrije detector. Het onderzoek laat daarmee een quantumvoordeel in de karakterisering van afzonderlijke fotonen zien.

Minimale verschillen

Fotonen vormen een belangrijke bouwsteen van verschillende quantumtechnologieën, waaronder quantumcommunicatie, quantumcomputers en zeer gevoelige quantummeetapparatuur. Maar juist omdat quantumprocessen zo gevoelig zijn, kunnen kleine verschillen tussen fotonen de prestaties van een systeem beperken.

Een fotonbron kan bijvoorbeeld lichtdeeltjes produceren die vrijwel dezelfde eigenschappen hebben, maar net verschillen in timing, frequentie of andere kenmerken. Voor klassieke optica zijn zulke verschillen vaak nauwelijks relevant. Voor quantumtechnologie kunnen ze het verschil maken tussen een betrouwbare en een mislukte quantumoperatie.

Het onderzoek van de Universiteit Twente is uitgevoerd bij het MESA+ Institute for Nanotechnology. De financiering kwam onder meer van het Nationaal Groeifondsprogramma PhotonDelta en NWO.