Effecten van de kwantummechanica, waaronder de verstrengeling van twee deeltjes (een fenomeen waarbij toestanden gescheiden worden).
Dat hebben twee onafhankelijke groepen onderzoekers bekendgemaakthet creëren van bronnen van afzonderlijke fotonen die nodig zijn voor datatransmissie in een kwantumnetwerk. Duitse onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Kwantumoptica en de Technische Universiteit van München gebruikten erbiumatomen ingebed in een siliciumkristal, die licht produceren met een frequentie die overeenkomt met moderne communicatienetwerken.
En ingenieurs van het Massachusetts Institute of TechnologyHet instituut maakt gebruik van perovskiet-nanokristallen, waarvan de productie eenvoudig op te schalen is. Ze vereisen echter geen extreme koeling en kunnen op kamertemperatuur werken.
Wat is een kwantumnetwerk?
Kwantumcomputers kunnen theoretisch presterentaken die zelfs op de krachtigste supercomputers ter wereld niet kunnen worden opgelost. Ze kunnen worden gebruikt om de eigenschappen van materialen en complexe systemen te modelleren. Maar om echt zinvolle resultaten te bereiken, hebben we een efficiënte manier nodig om knooppunten van kwantuminformatie met elkaar te verbinden: gedistribueerde kwantumprocessors.
Omdat kwantumcomputers dat fundamenteel zijnverschillen van de klassieke methoden, de gebruikelijke methoden voor het verzenden van informatie zijn er niet rechtstreeks op van toepassing. Kwantuminformatie is complexer: in plaats van alleen de waarde 0 of 1 op te slaan, zoals bij klassieke computers, kan een qubit tegelijkertijd de waarden 0 en 1 aannemen (een fenomeen dat bekend staat als superpositie).
De ideale oplossing is een kwantumnetwerk −een verbinding waarin een directe uitwisseling van informatiequbits plaatsvindt met behoud van kwantummechanische eigenschappen. Het kwantumnetwerk verbindt de verwerkingsknooppunten met fotonen die door speciale onderlinge verbindingen gaan die golfgeleiders worden genoemd.
Het voordeel van zo'n verbinding is datkwantumapparaten communiceren rechtstreeks, waardoor snellere gegevensverwerking mogelijk wordt. Bovendien kunnen dergelijke netwerken worden gebruikt voor veilige gegevensoverdracht: zodra een aanvaller de in fotonen "gecodeerde" informatie probeert te onderscheppen, gaan de kwantumeigenschappen van de deeltjes verloren en worden de gegevens onbruikbaar.
Erbium-atomen in een siliciumkristal
Kwantumresonator op basis van een siliciumkristal. Afbeelding: MCQST
Duitse ingenieurs hebben een optisch ontwikkeldeen resonator voor kwantumnetwerken op basis van een siliciumkristal gedoteerd met erbiumatomen. De ontwikkeling volgt op een eerdere studie van dezelfde groep over het opnemen van individuele zeldzame-aarde-atomen in kristallijn silicium met behulp van een relatief lage temperatuur (ongeveer 500°C) om ervoor te zorgen dat grote aantallen erbium-atomen niet samenklonteren in het siliciumrooster.
In een nieuwe studie waarvan de resultatengepubliceerd in het tijdschrift Optica, toonden de onderzoekers aan dat het met behulp van dergelijke kristallen mogelijk is om enkele fotonen met gewenste eigenschappen te genereren. Erbium-atomen die in een siliciumkristal zijn geplaatst, hebben uitstekende optische eigenschappen, aldus de auteurs van de studienota. Ze zenden licht uit met een golflengte van 1536 nm. Dit is bijna identiek aan het licht dat wordt gebruikt om gegevens te verzenden in klassieke glasvezelnetwerken.
Ingenieurs hebben een gedoopte resonator ontwikkelderbium, dat verschilt van conventionele ontwerpen doordat het geen spiegels bevat. In plaats daarvan wordt een regelmatig patroon van gaten van nanometergrootte in kristallijn silicium gebruikt. Dit betekent dat de gehele resonator slechts enkele microns lang is en slechts enkele tientallen erbiumatomen bevat. Door een resonator aan te sluiten op een optische vezel en atomen te exciteren met een laser, toonden de onderzoekers aan dat individuele fotonen met gewenste eigenschappen kunnen worden uitgezonden.
Onderzoekers merken twee belangrijke voordelen op:wat volgens hen erbium-gedoteerd silicium “een ideale kandidaat maakt voor het bouwen van kwantumnetwerken.” Ten eerste is het gebaseerd op een klassiek materiaal dat veel wordt gebruikt bij de productie van halfgeleiders, wat betekent dat voor de grootschalige creatie van de noodzakelijke componenten geen nieuwe, complexe productiefaciliteiten nodig zijn.
En ten tweede werkt het systeem relatiefhoge (voor kwantumtechnologieën) temperatuur - ongeveer 8 K (-265 °C). In tegenstelling tot systemen die in de buurt van het absolute nulpunt werken, zijn dergelijke omstandigheden gemakkelijker te creëren door af te koelen in een vloeibare heliumcryostaat.
Perovskieten als enkele fotonbronnen
Perovskiet nanokristallen. Afbeelding: MIT
MIT-onderzoekers stellen een alternatief voorHet materiaal voor het maken van kwantumnetwerken is perovskieten. Dit materiaal heeft zich al breed gevestigd als een potentieel alternatief voor silicium in zonnecellen. In een studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics toonden de ingenieurs aan dat ze ook een stroom identieke fotonen konden genereren.
Voor hun studie gebruikten natuurkundigennanodeeltjes van loodhaliet perovskiet. Fotovoltaïsche cellen gebruiken dunne films van dit materiaal en in de vorm van nanodeeltjes hebben ze een ongelooflijk hoge snelheid van cryogene straling, waardoor ze zich onderscheiden van andere colloïdale halfgeleider nanodeeltjes. Hoe sneller licht wordt uitgezonden, hoe waarschijnlijker het is dat het uitgangssignaal een goed gedefinieerde golffunctie zal hebben, wat essentieel is voor kwantumnetwerken.
Om te controleren of het fotonen zijngenereren echt de gewenste eigenschappen hebben, voerden de onderzoekers een standaardtest uit. Het bestaat uit het detecteren van een speciaal soort interferentie tussen twee fotonen, het Hong-Wu-Mandela-effect. De resultaten van het experiment bevestigden dat de bron kwantumlicht uitzendt.
De onderzoekers merken op dat de installatie dat tot nu toe niet heeft gedaanis perfect en werkt met interferentie, maar ze hebben er vertrouwen in dat dit kan worden ondervangen door perovskieten in een optische holte te plaatsen - een effect dat ook met andere materialen werkt.
Tegelijkertijd merken onderzoekers het voordeel optechnologie in productiegemak. “De reden dat andere bronnen coherent zijn, is omdat ze zijn gemaakt van de zuiverste materialen en de een na de ander, atoom voor atoom. We hebben dus een zeer slechte schaalbaarheid en een zeer slechte reproduceerbaarheid”, zegt Alexander Kaplan, co-auteur van het onderzoek. Perovskiet-nanodeeltjes daarentegen worden in oplossing gemaakt en eenvoudig op een substraatmateriaal aangebracht. Bovendien werken dergelijke bronnen op kamertemperatuur en hebben ze geen koeling nodig.
Beide voorgestelde technologieën zijn er nog nieteen kant-en-klare oplossing voor het bouwen van quantumnetwerken. Maar dit is een stap in de goede richting. Het feit dat verschillende groepen onderzoekers over de hele wereld alternatieve technologieën ontwikkelen en een oplossing proberen te vinden die relatief goedkoop en gemakkelijk op te schalen is, suggereert dat kwantumnetwerken binnenkort werkelijkheid kunnen worden.
Lees verder:
Een vreemd object dat heter is dan de zon verraste astronomen
In Mongolië is een artefact gevonden dat lijkt op een fallus: het is ongeveer 42.000 jaar oud
De hoogste boom van Azië gevonden: laat zien hoe hij eruit ziet
Omslagafbeelding: C. Hohmann, MCQST