Kwantumnetwerk op basis van micromechanische balkjes

Trillingen gedragen zich als golven, maar volgens de kwantummechanica bestaat deze beweging ook uit piepkleine discrete energiepakketjes, de fononen. In september 2017 demonstreerde het team van onderzoekers van de TU Delft en de Universiteit van Wenen met behulp van laserpulsen al een nieuw niveau van kwantumbesturing over deze trillingen. Ze creëerden individuele fononexcitaties en bevestigden daarmee het fundamentele deeltjeskarakter van de trillingen. Het maken en verifiëren van deze afzonderlijke fononen was een belangrijke stap in de richting van volledige optische kwantumbesturing van mechanische beweging.

Verstrengeling tussen resonatoren

Nu hebben ze een belangrijke volgende stap gezet: ze hebben verstrengeling gecreëerd tussen twee micromechanische resonatoren met ‘telecomfotonen’ als medium. Verstrengeling is de beroemde ‘spookachtige actie op afstand’ tussen twee objecten die alleen kan worden verklaard met kwantumtheorie. "Verstrengeling is cruciaal voor kwantumcommunicatienetwerken", zegt professor Simon Gröblacher van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft. "Met name belangrijk is de mogelijkheid om verstrengeling te verdelen tussen kwantumgeheugens op afstand. Eerder zijn hiervoor bijvoorbeeld in holtes ingebedde atomen gebruikt, maar wij introduceren hier een geheel nanogefabriceerd halfgeleiderplatform in de vorm van op chips gebaseerde microresonatoren: kleine siliconenbalkjes die tegelijkertijd licht en trillingen insluiten. Door de besturing van afzonderlijke mechanische kwanta uit te breiden naar meerdere apparaten, laten we zien dat er verstrengeling optreedt tussen dergelijke micromechanische apparaten op twee chips op 20 cm afstand van elkaar."

Veelbelovend platform

De gebruikte apparaten bestaan uit siliciumbalkjes op micrometerschaal. Ze zijn in een zodanig patroon gevormd dat trillingen kunnen worden ‘geschreven’ op laserpulsen die erdoorheen gaan, en omgekeerd. De trillende balkjes bestaan elk uit acht miljard atomen, hebben de grootte van een kleine cel en zijn daardoor goed te zien met een vergrootglas of microscoop. "Nanogefabriceerde optomechanische apparaten vormen een veelbelovend platform voor geïntegreerde kwantuminformatieverwerking met fononen, omdat de parameters van het systeem, zoals de golflengte voor optische conversie en de kwantumgeheugentijd, bij het ontwerp naar wens kunnen worden aangepast. Zo kozen we bij het apparaat bewust voor een optische golflengte in de telecommunicatiebandbreedte, die meestal wordt gebruikt bij de distributie van breedbandinternet.

Daarmee tonen we aan dat kwantumnetwerken kunnen worden geconstrueerd met behulp van alleen conventionele glasvezel in combinatie met onze apparaten", zegt doctor Sungkun Hong van de Universiteit van Wenen. Een ander belangrijk voordeel is dat de apparaten in deze netwerken samen met andere halfgeleiderkwantumsystemen op een chip kunnen worden geïntegreerd. De onderzoekers verwachten bijvoorbeeld dat hun apparaten kunnen worden gecombineerd met supergeleidende kwantumschakelingen en kunnen worden gebruikt als ‘kwantum-ethernetpoorten’ die kwantuminformatie tussen de schakelingen en de optische signalen overbrengen.

Echte kwantumtoepassingen

"De volgende stap is de bouw van een netwerk dat uit meer balkjes bestaat en dat werkt op een afstand van honderden meters, misschien zelfs enkele kilometers. Zo zouden we dichter bij de verwezenlijking van een systeem komen dat kan worden gebruikt voor echte kwantumtoepassingen", zegt professor Gröblacher. "We zien geen fundamentele obstakels om deze stappen de komende paar jaar te kunnen zetten."