Een Pools-Brits team van natuurkundigen heeft een compacte, efficiënte converter die de kwantumeigenschappen van individuele fotonen kan wijzigen. Het nieuwe apparaat moet de bouw van complexe kwantumcomputers vergemakkelijken, en in de toekomst een belangrijk element kan worden in wereldwijde kwantumnetwerken, de opvolgers van het internet van vandaag.

Quantum internet en hybride kwantumcomputers, opgebouwd uit subsystemen die werken door middel van fysieke verschijnselen, zijn nu meer dan alleen het spul van de verbeelding. In een artikel gepubliceerd in Natuurfotonica , natuurkundigen van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau (FUW) en de Universiteit van Oxford rapporteren de ontwikkeling van een sleutelelement van dergelijke systemen:een elektro-optisch apparaat waarmee de eigenschappen van individuele fotonen kunnen worden gewijzigd. In tegenstelling tot bestaande laboratoriumconstructies, dit nieuwe apparaat werkt met een voorheen onbereikbare efficiëntie en is tegelijkertijd stabiel, betrouwbaar en compact.

Het bouwen van een efficiënt apparaat voor het wijzigen van de kwantumtoestand van individuele fotonen was een buitengewoon uitdagende taak, gezien de fundamentele verschillen tussen klassieke en kwantumcomputers.

Hedendaagse computersystemen zijn gebaseerd op de verwerking van groepen bits, die elk in een specifieke staat zijn:0 of 1. Groepen van dergelijke bits worden continu overgedragen tussen verschillende subcomponenten binnen een enkele computer, en tussen verschillende computers op het netwerk. We kunnen dit figuurlijk illustreren door ons een situatie voor te stellen waarin bakken met munten van plaats naar plaats worden verplaatst, waarbij elke munt kop of munt laat zien.

Dingen zijn ingewikkelder in quantum computing, die berust op het fenomeen van superpositie van staten. Een kwantumbit, bekend als een qubit, kan tegelijkertijd in de 1-status en de 0-status zijn. Om de metafoor van de munten uit te breiden, dit is analoog aan een situatie waarin elke munt op zijn rand draait. Informatieverwerking kan worden omschreven als "kwantumverwerking" zolang deze superpositie van toestanden tijdens alle bewerkingen wordt behouden, met andere woorden, zolang geen van de munten uit de draaiende toestand wordt getipt terwijl de lade wordt verplaatst.

"In recente jaren, natuurkundigen hebben ontdekt hoe ze lichtpulsen kunnen genereren met een specifieke golflengte of polarisatie, bestaande uit een enkel quantum - of excitatie - van het elektromagnetische veld. En dus vandaag, we weten hoe we precies wat voor soort kwantum 'spinnende munten' kunnen genereren die we willen, " zegt Dr. Michal Karpinski van het Institute of Experimental Physics (FUW), een van de auteurs van de publicatie. "Maar als je één ding bereikt, wil je altijd meer. Als we nu individuele lichtquanta hebben met specifieke eigenschappen, het zou handig zijn om die eigenschappen te wijzigen. De taak is daarom om een ​​​​draaiende zilveren munt te nemen en deze van de ene plaats naar de andere te verplaatsen, terwijl hij er snel en precies een gouden munt van maakt, natuurlijk zonder om te vallen. Je kunt gemakkelijk zien dat het probleem niet triviaal is."

Bestaande methoden voor het wijzigen van individuele fotonen hebben niet-lineaire optische technieken gebruikt - in de praktijk proberen om een ​​individueel foton te dwingen om te interageren met een zeer sterke optische pompstraal. Of het foton daadwerkelijk wordt gewijzigd, is een kwestie van puur toeval. Bovendien, de verstrooiing van de pompbundel kan de stroom van individuele fotonen verontreinigen. Bij de bouw van het nieuwe apparaat de groep van de Universiteit van Warschau en de Universiteit van Oxford besloot een ander natuurkundig fenomeen te gebruiken:het elektro-optische effect dat optreedt in bepaalde kristallen. Het biedt een manier om de brekingsindex voor licht in het kristal te wijzigen door de intensiteit van een externe magnetische kracht die erop wordt uitgeoefend te variëren (met andere woorden, zonder toevoeging van extra fotonen).

"Het is verbazingwekkend dat om de kwantumeigenschappen van individuele fotonen te wijzigen, we kunnen met succes technieken toepassen die sterk lijken op die welke worden gebruikt in standaard glasvezeltelecommunicatie, " zegt Dr. Karpinski.

Met behulp van het nieuwe apparaat, de onderzoekers bereikten een zesvoudige verlenging van de duur van een enkele fotonpuls zonder de kwantumsuperpositie te verstoren, wat automatisch een vernauwing van het spectrum betekent. Wat vooral belangrijk is, is dat de hele operatie werd uitgevoerd met behoud van een zeer hoge conversie-efficiëntie. Bestaande converters hebben alleen onder laboratoriumomstandigheden gewerkt en waren slechts in staat om één op enkele tientallen fotonen te wijzigen. Het nieuwe apparaat werkt met een efficiëntie van meer dan 30 procent, tot 200 keer beter dan bepaalde bestaande oplossingen, met behoud van een laag geluidsniveau.

"In essentie, we verwerken elk foton dat het kristal binnenkomt. De efficiëntie is minder dan 100 procent, niet vanwege de fysica van het fenomeen, maar vanwege moeilijk te vermijden verliezen van puur technische aard, verschijnen, bijvoorbeeld, wanneer licht optische vezels binnenkomt of verlaat, ", legt promovendus Michal Jachura (FUW) uit.

De nieuwe converter is niet alleen efficiënt en geluidsarm, maar ook stabiel en compact. Het apparaat kan in een doos van ongeveer 10 cm (4 in.), eenvoudig te installeren in een glasvezelsysteem dat individuele fotonen kanaliseert. Zo'n apparaat zou het mogelijk kunnen maken om hybride kwantumcomputers te bouwen, waarvan de afzonderlijke subcomponenten informatie zouden verwerken met behulp van verschillende fysieke platforms en kwantumverschijnselen. Momenteel, er worden pogingen gedaan om kwantumcomputers te bouwen met dingen als ingesloten ionen, elektronenspins in diamant, kwantum stippen, supergeleidende elektrische kringen, en atoomwolken. Elk systeem interageert met licht van verschillende eigenschappen, wat in de praktijk optische overdracht van kwantuminformatie tussen verschillende systemen uitsluit. De nieuwe omvormer, anderzijds, kan op efficiënte wijze lichtpulsen van één foton die compatibel zijn met het ene systeem, omzetten in pulsen die compatibel zijn met een ander. Wetenschappers werken daarom toe naar kwantumnetwerken, beide kleintjes binnen één kwantumcomputer (of subonderdeel daarvan), en wereldwijde die een manier bieden om gegevens volledig veilig te verzenden tussen kwantumcomputers in verschillende delen van de wereld.