TU Delft-onderzoekers teleporteren kwantuminformatie van licht naar micro-mechanische beweging

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Photonics.

De kwantum-optomechanica gebruikt optische middelen voor het manipuleren van mechanische beweging in het kwantumregime. Tien jaar geleden zijn de eerste kwantummechanische effecten in micro-mechanische systemen aangetoond. Gericht onderzoek heeft sindsdien geleid tot het aantonen van verstrengeling tussen dergelijke systemen en het gebruik ervan als een kwantumgeheugen. En nu is de groep van Simon Gröblacher, van het Kavli Institute of Nanoscience en de afdeling Kwantum Nanoscience er in samenwerking met onderzoekers van de Staatsuniversiteit van Campinas in Brazilië voor het eerst in geslaagd om een willekeurige kwantumtoestand van een optische qubit naar een micro-mechanisch kwantumgeheugen te teleporteren.

Repeater knooppunten

Kwantumteleportatie – de getrouwe overdracht van een onbekende kwantumtoestand naar een ander kwantumsysteem – is een essentieel onderdeel van de lange afstandscommunicatieprotocollen waarop het toekomstige kwantuminternet zal draaien. Net als bij het gewone internet zal communicatie tussen twee kwantumapparaten waar dan ook ter wereld plaatsvinden over een netwerk van repeater knooppunten. Elk knooppunt zal de kwantuminformatie tijdelijk opslaan in een geheugen, voordat teleportatie naar een volgend knooppunt plaatsvindt om zo uiteindelijk een kwantumconnectie over grote afstand te verwezenlijken.

Twee micro-mechanische oscillatoren delen een kwantumtoestand

Voor hun experimenten codeerden de onderzoekers in de polarisatie van een enkel foton een willekeurige qubit toestand. Na transport over tientallen meters glasvezelkabel teleporteerden ze de kwantumtoestand op hun kwantumgeheugen dat bestond uit twee silicium oscillatoren – elk zo’n 10 micrometer lang en opgebouwd uit tientallen miljarden atomen. De kwantumtoestand werd hierbij opgeslagen in de gedeelde excitatietoestand van deze oscillatoren. De onderzoekers testten de betrouwbaarheid van het proces door aan te tonen dat ze de geteleporteerde kwantumtoestand weer uit het geheugen konden uitlezen.

Telecommunicatie golflengtes

Kwantumteleportatie is al met verschillende kwantumsystemen aangetoond. De doorbraak van het huidige onderzoek is dat de optomechanische systemen zo kunnen worden ontworpen dat ze bij een willekeurige optische golflengte kunnen opereren, waaronder de telecommunicatie golflengtes. "Dit is de golflengte waarbij het signaalverlies in glasvezel het laagst is en waarmee de repeater knooppunten dus het verst uit elkaar kunnen staan", zegt Gröblacher. "Deze mijlpaal was mogelijk door de kwaliteit en flexibiliteit van de door ons geproduceerde optomechanische systemen waarmee we, in tegenstelling tot andere kwantumsystemen, de optische eigenschappen tijdens het ontwerp voor het uitkiezen hebben. Een toekomstig kwantuminternet zal ongetwijfeld gebruik maken van het bestaande telecommunicatienetwerk en de daarbij behorende golflengtes."

Alle bouwstenen

Kwantumteleportatie kan in principe over elke afstand plaatsvinden. Met het teleporteren van de kwantumtoestand van een foton over tientallen meters glasvezel hebben de onderzoekers voldaan aan de vereisten van een volledig functioneel optomechanisch kwantum repeater knooppunt. Gröblacher: "Het is nu zaak de prestaties van het systeem verder te optimaliseren, zodat het ook buiten het laboratorium kan worden toegepast. Denk hierbij aan de herhalingsfrequenties, de betrouwbaarheid en de succespercentages van teleportatie en opslag van het qubit." Volgens Thiago Alegre van de Staatsuniversiteit van Campinas is een mogelijke invalshoek hierbij om het optomechanische systeem zo te ontwerpen dat het ongevoeliger is voor ongewilde optische absorptie. "Dankzij de flexibiliteit in de fabricage van onze nano-instrumenten is dit zeker mogelijk."

Een hybride visie

Het huidige onderzoek is een grote stap in de richting van Gröblacher’s visie van een toekomstig hybride kwantum internet. "We voorzien een heterogeen netwerk waarbij verschillende fysieke systemen taken uitvoeren en met elkaar communiceren", zegt hij. "Bijvoorbeeld optomechanische repeaterknooppunten die verbonden zijn met een kwantumcomputer of kwantumgeheugen bestaande uit supergeleidende qubits of spin-qubits. Om met hoge betrouwbaarheid kwantuminformatie uit te wisselen zullen al deze systemen compatibel moeten zijn en op dezelfde golflengte opereren."

Transitie van kwantum naar klassiek

Behalve dat het nieuwe kwantumtechnologie mogelijk maakt, kan het teleporteren van een willekeurige kwantumtoestand naar micro-mechanische oscillatoren ook een rol spelen bij het op een fundamenteel niveau testen van de kwantummechanica zelf. Terwijl zeer kleine systemen zich gedragen volgens de wetten van de kwantummechanica, houden grote systemen zich aan de klassieke natuurkundige wetten. "Met experimenten is aangetoond dat bepaalde theorieën de overgang van kwantumgedrag naar klassiek gedrag niet goed beschrijven, maar een sluitende theorie is nog ver weg", zegt Gröblacher. "We kunnen de omvang van onze systemen eenvoudig aanpassen en er interessante kwantumtoestanden naar teleporteren. Dit zou wel eens een belangrijke stap kunnen zijn in het vergroten van ons begrip van deze overgang."