Wetenschappers demonstreren nieuw soort laser

Lasers vind je tegenwoordig overal: artsen gebruiken ze bij het doen van oogcorrecties, kassamedewerkers scannen er je boodschappen mee en kwantumwetenschappers hebben ze nodig voor het controleren van qubits in de toekomstige kwantumcomputer. In de meeste toepassingen zijn de huidige grote, inefficiënte lasers een prima oplossingen, maar kwantumsystemen werken op heel kleine schaal en bij extreem lage temperaturen. Wetenschappers proberen al 40 jaar nauwkeurige en efficiënte microgolflasers te ontwikkelen die de ultra-koude en fragiele kwantumexperimenten niet verstoren. 

Lasers

Lasers zijn uniek door de emissie van perfect gesynchroniseerd, coherent licht. Dit betekent dat de lijnbreedte (die overeenkomt met het kleurspectrum) heel smal kan zijn. Een typische laser bestaat uit een groot aantal emitters (zoals atomen, moleculen of ladingsdragers in halfgeleiders) in een gefabriceerde holte. Dit soort conventionele lasers zijn vaak inefficiënt en genereren veel warmte. Dit maakt ze lastig te combineren in lage temperatuur-toepassingen, zoals kwantumtechnologie.

Supergeleidende Josephson junctie

In 1911 ontdekte de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes dat bepaalde materialen bij lage temperatuur overgaan in een supergeleidende toestand waarbij elektrische stroom geen verlies ondervindt. Een van de meest belangrijke toepassingen van supergeleiding is het Josephson effect: als een stuk supergeleider heel even is onderbroken kunnen de ladingsdragers volgens de wetten van de kwantummechanica door die barrière tunnelen. Dit gebeurt met een hele specifieke frequentie die afhangt van een extern aangebrachte gelijkspanning. De Josephson junctie is daardoor perfect voor de conversie van voltage naar licht (frequentie). 

QuTech Wetenschappers ontwikkelden een on-chip microgolflaser gebaseerd op een fundamenteel aspect van supergeleiding: het ac Josephson effect. Op de chip is een Josephson junctie op nanoschaal gekoppeld aan een supergeleidende holte. Door met een batterij een kleine gelijkspanning aan te leggen over de junctie kunnen er Cooper paren tunnelen door de junctie waardoor microgolflicht vrij komt. De supergeleidende holte zorgt voor versterking van dit licht, waardoor uiteindelijk een coherente straal microgolflicht uit de chip komt. Zo’n chip is veelbelovend in toepassingen zoals een schaalbare kwantumcomputer.

Josephson junctie laser

De QuTech-wetenschappers fabriceerden een enkele Josephson-junctie in een heel precies gefabriceerde supergeleidende microholte, kleiner dan een mier. De Josephson-junctie gedraagt zich hier als een enkel atoom, terwijl de microholte zich gedraagt als twee spiegels voor microgolflicht. Door een kleine gelijkspanning over de Josephson-junctie aan te leggen ontstaan er microgolflichtdeeltjes met een golflengte die overeenkomt met de micro-holte. Terwijl de lichtdeeltjes resoneren tussen de supergeleidende spiegels wordt de Josephson-junctie gedwongen om meer lichtdeeltjes te genereren, synchroon met de lichtdeeltjes in de microholte. Door de chip af te koelen naar ultra-lage temperaturen (<1 Kelvin) observeren de wetenschappers wanneer ze een kleine spanning aanbrengen een coherente straal van microgolflicht bij de uitgang van de microholte. De on-chip laser, die volledig uit supergeleidend materiaal bestaat, is heel energie-efficiënt en veel stabieler dan eerder gedemonstreerde halfgeleider-lasers. Er is minder dan een picowatt nodig om licht te produceren, ruim 100 miljard minder dan een gloeilamp nodig heeft.

Kwantum controle

Voor alle huidige voorstellen van de kwantumcomputer zijn efficiënte, coherente microgolfbronnen essentieel. Microgolflicht wordt gebruikt voor het uitlezen en overbrengen van kwantuminformatie, voor het corrigeren van fouten en voor het controleren van individuele kwantumdeeltjes. Anders dan de huidige dure en inefficiënte microgolfbronnen is deze ontwikkelde Josephson-junctielaser niet alleen efficiënt, maar ook makkelijk te controleren en aan te passen door het ontwerp op de chip. De wetenschappers breiden het ontwerp nu uit naar afstembare Josephson-juncties gemaakt van nanodraden om zo ook korte pulsen te kunnen genereren om meerdere kwantumdeeltjes snel te kunnen controleren.

In de toekomst kan zo’n chip worden gebruikt voor zogeheten ‘amplitude-squeezed’ licht met nog kleinere fluctuaties in de intensiteit. Dit is belangrijk in de meeste voorgestelde kwantumcommunicatieprotocollen. Dit werk is een belangrijke stap in de richting van grootschalige kwantumcontrole voor kwantum-informatietechnologie.

Dit werk is uitgevoerd bij QuTech en het Kavli Institute of Nanoscience bij de Technische Universiteit Delft, gesponsord door de samenwerking tussen FOM en Microsoft op het gebied van Topological Quantum Computation en de European Research Council (ERC).

Paper: Demonstration of an AC Josephson junction laser. M. C. Cassidy1, A. Bruno1, S. Rubbert2, M. Irfan2, J. Kammhuber1, R. N. Schouten1,2, A. R. Akhmerov2, L. P. Kouwenhoven1,2.
1 QuTech, Delft University of Technology, P.O. Box 5046, 2600 GA Delft, Netherlands.  
2 Kavli Institute for Nanoscience, Delft University of Technology, P.O. Box 5046, 2600 GA Delft, Netherlands.

DOI 10.1126/science.aah6640