Wetenschappers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Basel en het Zwitserse Nanoscience Institute zijn erin geslaagd de kwaliteit van individuele fotonen die door een kwantumsysteem worden gegenereerd, drastisch te verbeteren. De wetenschappers hebben met succes een 10 jaar oude theoretische voorspelling in de praktijk gebracht. Met hun papier onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordeling X , ze hebben een belangrijke stap gezet naar toekomstige toepassingen in de kwantuminformatietechnologie.

Voor een aantal jaar, wetenschappers hebben gewerkt aan het gebruik van elektronenspins om informatie op te slaan en te verwerken. Een mogelijke benadering is om een ​​kwantumsysteem te gebruiken waarin de kwantumtoestand van de elektronenspin wordt gekoppeld aan die van de uitgezonden lichtdeeltjes (fotonen).

Stikstofvacaturecentra (NV-centra) worden beschouwd als een beproefde structuur voor deze aanpak, waardoor elektronenspins gemakkelijk kunnen worden gelezen en gemanipuleerd. Deze NV-centra zijn natuurlijke defecten in het kristalrooster van diamant, waarover onderzoekers de afgelopen decennia controle hebben gekregen.

Er zijn betere fotonen nodig

NV-centra zijn vooral interessant op het gebied van kwantuminformatieverwerking, omdat ze individuele fotonen uitzenden die informatie bevatten over de toestand van hun elektronenspin. Deze fotonen kunnen op hun beurt kwantumverstrengeling creëren tussen verschillende NV-centra; deze verstrengeling kan zelfs over grote afstanden tot stand worden gebracht en kan dus worden gebruikt voor gegevensoverdracht.

Echter, voor toepassingen in kwantuminformatietechnologie, er zijn aanzienlijke verbeteringen nodig in de kwantiteit en vooral de kwaliteit van de uitgezonden fotonen, omdat tot nu toe slechts een fractie van de fotonen kan worden gebruikt om verstrengeling te produceren.

Succesvolle optimalisatie

Promovendus Daniel Riedel is er nu in geslaagd om de opbrengst aan bruikbare fotonen uit deze NV-centra te verhogen van 3% naar een actuele waarde van 50%. In aanvulling, hij is erin geslaagd de snelheid waarmee de fotonen worden uitgezonden bijna te verdubbelen.

Riedel bereikte deze significante verbeteringen door een nanogefabriceerd stuk diamant te plaatsen, met een doorsnede van slechts een paar honderd nanometer, tussen twee kleine spiegels. In theorie was 10 jaar geleden al beschreven dat plaatsing van NV-centra in een holte de opbrengst aan fotonen zou moeten verhogen. Tot nu, echter, geen enkele onderzoeksgroep was erin geslaagd om deze theorie in de praktijk te brengen.

Het artikel ontstond als onderdeel van een proefschrift aan de PhD School van het Zwitserse Nanoscience Institute, die in 2012 werd opgericht:"We hebben een belangrijke hindernis overwonnen op de weg naar het kwantuminternet, ", zegt promotor professor Richard Warburton van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Basel.

Professor Patrick Maletinsky, die ook toezicht hield op het werk, vult aan:“De unieke combinatie van expertise op het gebied van fotonica, speciale diamantstructuren en nanofabricage hier in Bazel zorgden ervoor dat het voor het eerst mogelijk was om deze 10 jaar oude uitdaging te overwinnen."