Mechanische kwantums zien het licht

Kwantumfysica wordt steeds vaker de wetenschappelijke basis voor een groot aantal nieuwe technologieën. Deze nieuwe kwantumtechnologieën zullen de manier waarop we communiceren fundamenteel doen veranderen en de prestaties van sensoren en onze krachtigste computers radicaal verbeteren. Een van de uitdagingen die nog overwonnen moet worden voordat er praktische toepassingen kunnen komen, is het vinden van een manier om verschillende kwantumtechnologieën met elkaar te laten communiceren. Op het moment sluiten verschillende kwantumapparaatjes meestal niet op elkaar aan, waardoor deze opkomende technologieën niet aan elkaar gekoppeld of op elkaar afgestemd kunnen worden.

Een van de oplossingen die door wetenschappers geopperd wordt, is het bouwen van mechanische objecten op nanoschaal die heen en weer trillen, net zoals een trillend mini-stemvorkje. Deze ‘nanomechanische apparaatjes’ kunnen zo gebouwd worden dat hun trillingen als intermediair kunnen optreden tussen kwantumsystemen die voor de rest totaal verschillend zijn. Zo kunnen mechanische apparaatjes die hun mechanische trillingen omzetten in licht zichzelf (en andere apparaatjes) aansluiten op de mondiale optische vezelnetwerken die het internet vormen.

Een van de openstaande vraagstukken in de kwantumfysica was het bouwen van een nanomechanisch apparaat waarmee kwantummechanische trillingen omgezet kunnen worden naar licht op kwantumniveau, zodat kwantumapparaten aangesloten kunnen worden op een toekomstig kwantuminternet.

Nanomechanisch apparaatje leidt tot fundamentele natuurkunde

Wetenschappers onder leiding van prof. Simon Gröblacher aan de TU Delft en prof. Markus Aspelmeyer aan de Universiteit van Wenen hebben nu precies zo’n nanomechanisch apparaatje gemaakt. Het zet individuele lichtdeeltjes, fotonen, om in kwantummechanische trillingen, die fononen genoemd worden, en vice versa. Dit is bekend gemaakt in het tijdschrift Nature.

Normaal gesproken is de kans op het eerst omzetten van een foton in een fonon veel te klein om van enig nut te kunnen zijn. Maar dit gezamenlijk team past een truc toe: telkens als hun nanomechanische apparaat eerst een foton in een fonon omzette, maakte hun apparaatje een ‘signaleringsfoton’. Door eerst uit te kijken naar deze signaleringsfoton wisten de onderzoekers precies wanneer hun nanomechanische apparaat erin geslaagd was de omzetting tot stand te brengen – het had licht omgezet in kwantummechanische trillingen van hun apparaatje. Vervolgens lieten de onderzoekers het apparaatje met behulp van lasers de fonon weer omzetten in licht en een foton uitzenden. Door tenslotte zorgvuldig de signaleringsfotonen en de uitgezonden fotonen te tellen toonden de onderzoekers aan dat het hele omzettingsproces op kwantumniveau plaats vond – één deeltje per keer.

"Dit is precies wat er nodig is voor het omzetten en opslaan van kwantumbits. Maar wat ik ook heel verbazend vind," legt Ralf Riedinger, eerste auteur in het onderzoek, uit "zijn de implicaties voor fundamentele natuurkunde. We beschouwen mechanische vibraties normaliter als golven, zoals golven die zich over een meer verspreiden, als water dat op en neer trilt. Maar onze metingen tonen heel duidelijk aan dat mechanische vibraties zich ook gedragen als deeltjes. Het zijn echte bewegingskwantumdeeltjes. Het is golf-deeltjesdualiteit, maar met een stemvork op nanoformaat."

Productie TU Delft

Het nanomechanische apparaatje zelf is een minuscuul siliciumbalkje, slechts een halve micrometer breed, met een regelmatig gaatjespatroon dat licht en mechanische vibraties op dezelfde plek vangt en vasthoudt. Dit nanobalkje trilt miljarden keren per seconde heen en weer. Het is bij TU Delft door het team van Gröblacher op een siliciumchip gemaakt en maakt gebruik van infrarode lichtgolflengtes, net zoals de industriële standaard voor optische vezelnetwerken, geïntegreerde elektronica en de nieuwste fotonische circuits.

Toekomstpotentie

"We zien ook duidelijk technologisch potentieel op de lange termijn", zegt Gröblacher. "Zulke kwantummechanische vibraties zouden uiteindelijk gebruikt kunnen worden als een ‘geheugen’ om tijdelijk kwantuminformatie op te slaan binnen kwantumnetwerken of computers." Een geweldig toekomstbeeld is het vestigen van een kwantuminternet waarin geen klassieke bits, maar kwantumbits over de hele wereld verspreid en verwerkt worden. Net zoals bij het huidige internet zal licht gebruikt worden voor de mondiale uitwisseling van kwantuminformatie. Hoe dit omgezet kan worden naar de grote verscheidenheid aan kwantumtoepassingen die beschikbaar zullen zijn voor opslag en berekeningen, blijft een belangrijke openstaande vraag. "Ons onderzoek geeft aan dat nanomechanische apparaatjes een veelbelovende kandidaat zijn voor het vormen van deze verbinding", aldus Gröblacher.

Het werk aan de TU Delft wordt ondersteund door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), vanuit het programma ‘FOM-Projectruimte’. Het werk aan de Universiteit van Wenen wordt ondersteund door het Weens Wetenschaps- en Technologiefonds WWTF, de Europese Commissie, het European Research Council (ERC) Consolidator Grant Programma, het DOC fellowshipprogramma van de Oostenrijkse Academie voor Wetenschappen en het Oostenrijkse Wetenschapsfonds FWF.

R. Riedinger, S. Hong, R. A. Norte, J. A. Slater, J. Shang, A. G. Krause, V. Anant, M. Aspelmeyer, and S. Gröblacher, Non-classical correlations between single photons and phonons from a mechanical oscillator, Nature advance online publication, 18.01.2016.