Enkele van de meest geavanceerde communicatiesystemen die nu in ontwikkeling zijn, vertrouwen op de eigenschappen van de kwantumwetenschap om informatie op te slaan en te transporteren. Echter, onderzoekers die kwantumcommunicatiesystemen ontwerpen die afhankelijk zijn van licht, in plaats van elektrische stroom, om informatie te verzenden wordt geconfronteerd met een dilemma:de optische componenten die kwantuminformatie opslaan en verwerken, hebben normaal gesproken fotonen van zichtbaar licht (lichtdeeltjes) nodig om te werken. Echter, alleen nabij-infraroodfotonen - met golflengten die ongeveer 10 keer langer zijn - kunnen die informatie over kilometers optische vezels transporteren.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuwe manier ontwikkeld om dit probleem op te lossen. Voor de eerste keer, het team creëerde kwantum-gecorreleerde paren bestaande uit een zichtbaar en een nabij-infrarood foton met behulp van op chips gebaseerde optische componenten die in massa kunnen worden geproduceerd. Deze fotonparen combineren het beste van twee werelden:de zichtbaar-lichtpartners kunnen interageren met ingesloten atomen, ionen, of andere systemen die dienen als kwantumversies van computergeheugen, terwijl de nabij-infrarode leden van elk paar vrij zijn om zich over lange afstanden door de optische vezel voort te planten.

De prestatie belooft het vermogen van op licht gebaseerde circuits te vergroten om veilig informatie naar verre locaties te verzenden. NIST-onderzoekers Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan en hun collega's van het NanoCenter van de Universiteit van Maryland in College Park, toonde de kwantumcorrelatie aan, bekend als verstrengeling, met behulp van een specifiek paar zichtbaar licht en nabij-infrarood fotonen. Echter, de ontwerpmethoden van de onderzoekers kunnen eenvoudig worden toegepast om vele andere paren van zichtbaar licht/nabij-infrarood te creëren die zijn afgestemd op specifieke systemen van belang. Bovendien, de miniatuur optische componenten die de verstrikkingen hebben gecreëerd, worden in grote aantallen vervaardigd.

lu, Srinivasan en hun collega's hebben onlangs hun werk beschreven in Natuurfysica .

Een van de meer contra-intuïtieve eigenschappen van de kwantummechanica, kwantumverstrengeling treedt op wanneer twee of meer fotonen of andere deeltjes zodanig worden geprepareerd dat ze zo intrinsiek verbonden zijn dat ze zich als één eenheid gedragen. Een meting die de kwantumtoestand van een van de verstrengelde deeltjes bepaalt, bepaalt automatisch de toestand van de andere, zelfs als de twee deeltjes aan weerszijden van het universum liggen. Verstrengeling vormt de kern van veel kwantuminformatieschema's, inclusief quantum computing en encryptie.

In veel situaties, de twee fotonen die verstrengeld zijn, hebben vergelijkbare golflengten, of kleuren. Maar de NIST-onderzoekers wilden met opzet vreemde paren creëren - verstrengeling tussen fotonen waarvan de kleuren heel verschillend zijn.

"We wilden fotonen van zichtbaar licht aan elkaar koppelen, die goed zijn voor het opslaan van informatie in atomaire systemen, en telecommunicatiefotonen, die zich in het nabij-infrarood bevinden en goed kunnen reizen door optische vezels met een laag signaalverlies, ' zei Srinivasan.

Om fotonen geschikt te maken voor interactie met de meeste opslagsystemen voor kwantuminformatie, het team had ook behoefte aan een scherpe piek van het licht op een bepaalde golflengte in plaats van een bredere, meer diffuse verspreiding.

Om de verstrengelde paren te maken, het team bouwde een speciaal op maat gemaakte optische "fluistergalerij" - een nano-sized siliciumnitride-resonator die licht rond een kleine racebaan stuurt, vergelijkbaar met de manier waarop geluidsgolven ongehinderd rond een gebogen muur reizen, zoals de koepel in St. Paul's Cathedral in Londen. In dergelijke gebogen constructies, bekend als akoestische fluistergalerijen, een persoon die in de buurt van een deel van de muur staat, hoort gemakkelijk een zwak geluid dat afkomstig is van een ander deel van de muur.

Wanneer een geselecteerde golflengte van laserlicht in de resonator werd gericht, verstrengelde paren zichtbaar licht en nabij-infrarood fotonen kwamen tevoorschijn. (Het specifieke type verstrengeling dat in het experiment werd gebruikt, bekend als tijd-energie verstrengeling, verbindt de energie van de fotonparen met het tijdstip waarop ze worden gegenereerd.)

"We hebben bedacht hoe we deze fluisterende galerijresonatoren konden ontwerpen om grote aantallen van de paren te produceren die we wilden, met zeer weinig achtergrondgeluid en ander vreemd licht, " zei Lu. De onderzoekers bevestigden dat de verstrengeling voortduurde, zelfs nadat de telecommunicatiefotonen door enkele kilometers optische vezel waren gereisd.

In de toekomst, door twee van de verstrengelde paren te combineren met twee kwantumgeheugens, de verstrengeling die inherent is aan de fotonparen kan worden overgedragen naar de kwantumgeheugens. Deze techniek, bekend als verstrengeling swapping, maakt het mogelijk de herinneringen over een veel grotere afstand met elkaar te verstrengelen dan normaal mogelijk zou zijn.

"Onze bijdrage was om erachter te komen hoe we een kwantumlichtbron kunnen maken met de juiste eigenschappen die zo'n verstrengeling op lange afstand mogelijk maken, ' zei Srinivasan.