Geavanceerde fotonische nanostructuren zijn goed op weg om een ​​revolutie teweeg te brengen in de kwantumtechnologie voor kwantumnetwerken op basis van licht. Onderzoekers van het Niels Bohr Instituut hebben nu de eerste bouwstenen ontwikkeld die nodig zijn om complexe kwantumfotonische circuits voor kwantumnetwerken te bouwen. Deze snelle ontwikkeling in kwantumnetwerken wordt benadrukt in een artikel in het tijdschrift Natuur .

Quantumtechnologie op basis van licht (fotonen) heet kwantumfotonica, terwijl elektronica gebaseerd is op elektronen. Fotonen (lichtdeeltjes) en elektronen gedragen zich op kwantumniveau anders. Een kwantumentiteit is de kleinste eenheid in de microscopische wereld. Bijvoorbeeld, fotonen zijn het fundamentele bestanddeel van licht en elektronen van elektrische stroom. Elektronen zijn zogenaamde fermionen en kunnen gemakkelijk worden geïsoleerd om stroom één elektron tegelijk te geleiden. Fotonen daarentegen zijn bosonen, die het liefst bij elkaar zitten. Maar aangezien informatie voor kwantumcommunicatie op basis van fotonica is gecodeerd in een enkel foton, het is noodzakelijk om ze één voor één uit te zenden en te verzenden.

Verhoogde informatiecapaciteit

Informatie op basis van fotonen heeft grote voordelen; fotonen hebben slechts een zeer zwakke wisselwerking met de omgeving - in tegenstelling tot elektronen, dus fotonen verliezen onderweg niet veel energie en kunnen dus over grote afstanden worden gestuurd. Fotonen zijn daarom zeer geschikt voor het dragen en verspreiden van informatie en een op fotonen gebaseerd kwantumnetwerk zal veel meer informatie kunnen coderen dan met de huidige computertechnologie mogelijk is en de informatie zou onderweg niet kunnen worden onderschept.

Veel onderzoeksgroepen over de hele wereld werken intensief op dit onderzoeksgebied, die zich snel ontwikkelt en in feite beginnen de eerste commerciële kwantumfotonica-producten te worden vervaardigd.

Controle van de fotonen

Een voorwaarde voor kwantumnetwerken is het vermogen om op aanvraag een stroom van losse fotonen te creëren en precies dat is de onderzoekers van het Niels Bohr Instituut gelukt.

"We hebben een fotonische chip ontwikkeld, die fungeert als een fotonenkanon. De fotonische chip bestaat uit een extreem klein kristal van 10 micron breed en 160 nanometer dik. In het midden van de chip is een lichtbron ingebed, wat een zogenaamde kwantumpunt is. Het verlichten van de kwantumstip met laserlicht wekt een elektron op, die dan van de ene baan naar de andere kan springen en daarbij één enkel foton tegelijk kan uitzenden. Fotonen worden meestal in alle richtingen uitgezonden, maar de fotonische chip is zo ontworpen dat alle fotonen door een fotonische golfgeleider worden gestuurd, " legt Peter Lodahl uit, professor en hoofd van de Quantum Photonics onderzoeksgroep aan het Niels Bohr Instituut, Universiteit van Kopenhagen.

In een lange, moeizaam proces, de onderzoeksgroep heeft de fotonische chip verder ontwikkeld en getest totdat deze extreem efficiënt was en Peter Lodahl legt uit dat het bijzonder verrassend was dat ze de fotonenemissie konden laten plaatsvinden op een manier die voorheen niet voor mogelijk werd gehouden. Normaal gesproken, de fotonen worden in beide richtingen doorgelaten in de fotonische golfgeleider, maar in hun op maat gemaakte fotonische chip kunnen ze deze symmetrie doorbreken en de kwantumstip krijgen om onderscheid te maken tussen het uitzenden van een foton rechts of links, dat betekent gerichte fotonen uitzenden. Dit betekent volledige controle over de fotonen en de onderzoekers beginnen te onderzoeken hoe ze complete kwantumnetwerksystemen kunnen bouwen op basis van de nieuwe ontdekking.

"De fotonen kunnen via optische vezels over lange afstanden worden verzonden, waar ze met heel weinig verlies door de vezels suizen. Je zou mogelijk een netwerk kunnen bouwen waar de fotonen kleine kwantumsystemen met elkaar verbinden, die vervolgens met elkaar worden verbonden tot een kwantumnetwerk - een kwantuminternet, " legt Peter Lodahl uit.

Hij voegt eraan toe dat hoewel de eerste basisfunctionaliteiten al een realiteit zijn, de grote uitdaging is nu om ze uit te breiden tot grote, complexe kwantumnetwerken.