Onderzoekers van de Universiteit van Kopenhagen hebben een nanocomponent ontwikkeld die lichtdeeltjes uitzendt die kwantuminformatie bevatten. Minder dan een tiende van de breedte van een mensenhaar, het minuscule onderdeel maakt het mogelijk om op te schalen en zou uiteindelijk de capaciteiten kunnen bereiken die nodig zijn voor een kwantumcomputer of kwantuminternet. Het onderzoeksresultaat plaatst Denemarken aan de kop van het peloton in de kwantumrace.

Over de hele wereld werken teams aan de ontwikkeling van kwantumtechnologieën. De focus van onderzoekers van het Center for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q) van het Niels Bohr Institute van de Universiteit van Kopenhagen ligt op het ontwikkelen van kwantumcommunicatietechnologie op basis van lichtcircuits, bekend als nanofotonische circuits. De UCPH-onderzoekers hebben nu een grote vooruitgang geboekt.

"Het is echt een geweldig resultaat, ondanks dat het onderdeel zo klein is, " zegt assistent-professor Leonardo Midolo, die de afgelopen vijf jaar aan deze doorbraak heeft gewerkt.

Het onderzoeksteam heeft een component uitgevonden, een nanomechanische router genoemd, die kwantuminformatie uitzendt die wordt gedragen door lichtdeeltjes (fotonen) en deze in verschillende richtingen binnen een fotonische chip leidt. Fotonische chips zijn net als computermicrochips — alleen, ze gebruiken licht in plaats van elektronen. Het onderdeel combineert nano-opto-mechanica en kwantumfotonica - twee onderzoeksgebieden die, tot nu, zijn nooit gecombineerd. Het meest spectaculaire van alles is de grootte van het onderdeel, slechts een tiende van een mensenhaar. Het is deze microscopische grootte die het zo veelbelovend maakt voor toekomstige toepassingen.

"Het samenbrengen van de werelden van nanomechanica en kwantumfotonica is een manier om kwantumtechnologie op te schalen. In de kwantumfysica, het was een uitdaging om systemen te schalen. Tot nu, we hebben individuele fotonen kunnen uitzenden. Echter, om meer geavanceerde dingen te doen met kwantumfysica, we zullen systemen moeten opschalen, dat is wat deze uitvinding mogelijk maakt. Om een ​​kwantumcomputer of kwantuminternet te bouwen, je hebt niet slechts één foton per keer nodig, je hebt veel fotonen tegelijk nodig die je met elkaar kunt verbinden, " legt Leonardo Midolo uit.

Het bereiken van 'kwantum suprematie' is realistisch

Om kwantummechanische wetten te benutten, bijv. een kwantumcomputer of een kwantuminternet bouwen, veel nanomechanische routers moeten in dezelfde chip worden geïntegreerd. Er zijn ongeveer 50 fotonen nodig om voldoende vermogen te hebben om wat bekend staat als 'kwantum suprematie' te bereiken. Volgens Midolo, de nieuwe nanomechanische router maakt dit een realistisch doel.

"We hebben berekend dat onze nanomechanische router al kan worden opgeschaald tot tien fotonen, en met verdere verbeteringen, het zou in staat moeten zijn om de 50 fotonen te bereiken die nodig zijn om 'kwantum suprematie' te bereiken."

De uitvinding is ook een grote sprong voorwaarts in het beheersen van licht in een chip. Dankzij de bestaande technologie kunnen slechts een paar routers op een enkele chip worden geïntegreerd vanwege de grote voetafdruk van het apparaat. Nanomechanische routers, Integendeel, zijn zo klein dat er enkele duizenden in dezelfde chip kunnen worden geïntegreerd.

"Ons onderdeel is extreem efficiënt. Het gaat erom dat we veel fotonen tegelijk kunnen uitzenden, zonder er een te verliezen. Geen enkele andere huidige techniek laat dit toe, ", zegt Leonardo Midolo.

Het onderzoek wordt uitgevoerd in de Quantum Photonics Group van het Niels Bohr Institute, dat deel uitmaakt van het nieuw opgerichte Center for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q)