Transistors zijn kleine schakelaars die de basis vormen van moderne computers; miljarden van hen leiden elektrische signalen rond in een smartphone, bijvoorbeeld.

Quantumcomputers hebben analoge hardware nodig om kwantuminformatie te manipuleren. Maar de ontwerpbeperkingen voor deze nieuwe technologie zijn streng, en de meest geavanceerde processors van vandaag kunnen niet worden hergebruikt als kwantumapparaten. Dat komt omdat kwantuminformatiedragers, nagesynchroniseerde qubits, moeten verschillende regels volgen die zijn opgesteld door de kwantumfysica.

Wetenschappers kunnen veel soorten kwantumdeeltjes gebruiken als qubits, zelfs de fotonen waaruit licht bestaat. Fotonen hebben extra aantrekkingskracht omdat ze snel informatie over lange afstanden kunnen overbrengen, en ze zijn compatibel met gefabriceerde chips. Echter, het maken van een door licht getriggerde kwantumtransistor was een uitdaging omdat het vereist dat de fotonen met elkaar interageren, iets wat normaal niet vanzelf gaat.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de A. James Clark School of Engineering en Joint Quantum Institute (JQI) van de University of Maryland, geleid door professor Electrical and Computer Engineering, JQI-fellow, en Instituut voor Onderzoek in Elektronica en Toegepaste Natuurkunde, Edo Waks, hebben deze hindernis genomen en de eerste enkelfotontransistor gedemonstreerd met behulp van een halfgeleiderchip. Het apparaat, beschreven in het nummer van 6 juli van Wetenschap , is compact; ongeveer een miljoen van deze nieuwe transistors zou in een enkele korrel zout passen. Het is ook snel en kan elke seconde 10 miljard fotonische qubits verwerken.

"Met behulp van onze transistor, we zouden kwantumpoorten tussen fotonen moeten kunnen uitvoeren, ", zegt Waks. "Software die op een kwantumcomputer draait, zou een reeks van dergelijke bewerkingen gebruiken om exponentiële snelheid te bereiken voor bepaalde rekenproblemen.

De fotonische chip is gemaakt van een halfgeleider met talloze gaten erin, waardoor het lijkt op een honingraat. Licht dat de chip binnenkomt, kaatst rond en wordt gevangen door het gatenpatroon; een klein kristal, een kwantumpunt genaamd, bevindt zich in het gebied waar de lichtintensiteit het sterkst is. Analoog aan conventioneel computergeheugen, de stip slaat informatie op over fotonen wanneer ze het apparaat binnenkomen. De stip kan effectief gebruik maken van dat geheugen om fotoninteracties te bemiddelen, wat betekent dat de acties van één foton invloed hebben op andere die later bij de chip aankomen.

"In een enkel-fotontransistor moet het kwantumdotgeheugen lang genoeg blijven bestaan ​​om met elke fotonische qubit te interageren, " zegt Shuo Sun, hoofdauteur van het nieuwe werk en postdoctoraal onderzoeker aan de Stanford University, die op het moment van het onderzoek een UMD-student was. "Hierdoor kan een enkel foton een grotere stroom fotonen schakelen, wat essentieel is voor ons apparaat om als een transistor te worden beschouwd."

Om te testen of de chip werkte als een transistor, de onderzoekers onderzochten hoe het apparaat reageerde op zwakke lichtpulsen die meestal maar één foton bevatten. In een normale omgeving, zo'n zwak licht kan nauwelijks worden geregistreerd. Echter, op dit apparaat, een enkel foton blijft lange tijd gevangen, het registreren van zijn aanwezigheid in de nabijgelegen stip.

Het team merkte op dat een enkel foton, door interactie met de stip, regelt de transmissie van een tweede lichtpuls door het apparaat. De eerste lichtpuls werkt als een sleutel, het openen van de deur voor het tweede foton om de chip binnen te gaan. Als de eerste puls geen fotonen bevatte, de stip blokkeerde de doorgang van volgende fotonen. Dit gedrag is vergelijkbaar met een conventionele transistor waarbij een kleine spanning de doorgang van stroom door de klemmen regelt. Hier, de onderzoekers vervingen met succes de spanning door een enkel foton en toonden aan dat hun kwantumtransistor een lichtpuls van ongeveer 30 fotonen kon schakelen voordat het geheugen van de kwantumpunt opraakte.

Waks zegt dat zijn team verschillende aspecten van de prestaties van het apparaat moest testen voordat de transistor aan het werk kon. "Tot nu, we hadden de afzonderlijke componenten die nodig waren om een ​​enkele fotontransistor te maken, maar hier hebben we alle stappen gecombineerd in een enkele chip, " hij zegt.

Sun zegt dat met realistische technische verbeteringen hun aanpak het mogelijk zou kunnen maken om veel kwantumlichttransistors aan elkaar te koppelen. Het team hoopt dat zo'n snelle, sterk verbonden apparaten zullen uiteindelijk leiden tot compacte kwantumcomputers die grote aantallen fotonische qubits verwerken.