In de toekomst, kwantumfysica zou de garantie kunnen worden van veilige informatietechnologie. Om dit te behalen, individuele lichtdeeltjes - fotonen - worden gebruikt voor veilige overdracht van gegevens. Bevindingen van natuurkundigen van het Max Planck Institute for Solid State Research zouden een sleutelrol kunnen spelen. De onderzoekers stuitten per ongeluk op een lichtbron die uit de energie van een elektron een fotonenpaar genereert. Een van deze lichtdeeltjes heeft de potentie om te dienen als drager van de fragiele kwantuminformatie, de andere, als een boodschapper om zijn tweelingbroer vooraf op de hoogte te stellen.

In tegenstelling tot kwantumcommunicatie, een kok heeft de luxe om te kunnen kijken of alle ingrediënten die hij of zij nodig heeft voor een recept in de kast staan. Ten slotte, meel gaat niet slecht op het moment dat je ernaar kijkt. Een natuurkundige die probeert te testen of een procedure om kwantuminformatie te verzenden heeft gewerkt zoals gepland, bevindt zich in een veel lastiger positie. Kwantumobjecten veranderen van toestand wanneer ze worden waargenomen, d.w.z. gemeten. Bij kwantumcommunicatie dit maakt het moeilijk om de informatie die door fotonen wordt verzonden, te controleren. Maar dat is het cruciale punt. Elk contact met de omgeving kan de door fotonen getransporteerde kwantuminformatie vernietigen, en bovendien, bronnen van individuele lichtdeeltjes genereren vaak enkelvoudige fotonen maar zeer onregelmatig. Hoe garandeer je dat een foton onderweg is zonder het te meten? Fotonenparen zijn de oplossing. Eén foton kan mogelijk als boodschapper dienen voor zijn tweelingbroer.

Een onverwachte bron van fotonparen

Wetenschappers van het Max Planck Institute for Solid State Research hebben nu een onverwachte bron van zulke fotonparen ontdekt:een scanning tunneling microscoop. Normaal gebruiken onderzoekers zo'n microscoop om de oppervlakken van geleidende of halfgeleidende materialen te bestuderen. De microscoop is gebaseerd op een effect dat bekend staat als kwantumtunneling. Dit beschrijft hoe elektronen een bepaalde kans hebben om door een barrière te gaan die, volgens de klassieke natuurkunde, ze zouden normaal gesproken niet kunnen oversteken. In een scanning tunneling microscoop, een spanning wordt toegepast op een metalen punt, waardoor elektronen over een korte afstand naar een monster tunnelen. Als een elektron tijdens dit tunnelproces energie verliest, licht wordt geproduceerd.

Het is precies dit licht dat de fysici uit Stuttgart al een aantal jaren onderzoeken. Hun werk heeft nu geleid tot een verrassende observatie:tijdens het tunnelen, naast individuele lichtdeeltjes, fotonparen worden ook gevormd, tegen een tarief 10, 000 keer hoger dan de theorie voorspelt. "Volgens de theorie de kans op vorming van een fotonenpaar is zo klein dat we het nooit zouden mogen zien, " legt wetenschapper Christopher Leon uit. "Maar ons experiment laat zien dat fotonparen met een veel hogere snelheid worden gegenereerd. Dat was een grote verrassing voor ons."

De natuurkundigen maten de fotonparen met behulp van twee detectoren, waardoor ze het tijdsinterval tussen de aankomende fotonen kunnen meten. "Op het moment dat zich een fotonenpaar vormt in een tunnelovergang, ze zijn minder dan 50 biljoenste van een seconde uit elkaar, " legt de vooraanstaande wetenschapper Klaus Kuhnke uit. Voor nu, het is onmogelijk te zeggen of de fotonen daadwerkelijk gelijktijdig of snel na elkaar worden geproduceerd. De resolutie van de detectoren is nog niet hoog genoeg.

Nieuwe toepassingen voor het tunnelen van kruispunten

De bevindingen openen nieuwe toepassingen in fotonica en kwantumcommunicatie voor het tunnelen van knooppunten. Wetenschappers kennen al processen die fotonparen genereren, maar de meeste gebruiken intens laserlicht. In tegenstelling tot, de methode ontwikkeld door de Max Planck-wetenschappers in Stuttgart is puur elektronisch.

In aanvulling, de benodigde componenten zijn erg klein, en het proces vindt plaats op atomaire schaal. Dit betekent dat de nieuwe lichtbron ook kan worden gebruikt in toekomstige generaties computerchips, elektronische componenten vervangen door optische. Een voordeel van het gebruik van fotonen is dat ze een snelle en verliesvrije gegevensoverdracht beloven. De fotonparen in het experiment van de Stuttgart-onderzoekers waren extreem snel, maar het ultrahoge vacuüm en de zeer lage temperaturen die nodig zijn voor het experiment blijven een praktische uitdaging.

De volgende stap voor de wetenschappers is om uit te zoeken of het meten van het ene foton direct van invloed is op de toestand van het andere. Als, de lichte deeltjes zouden verstrikt raken. Dit soort verstrengelde deeltjes zijn cruciaal in kwantumcryptografie. De resultaten roepen ook fundamentele vragen op over hoe fotonparen worden gevormd. Tot nu, het proces is vrijwel over het hoofd gezien vanuit een theoretische achtergrond. "Het feit dat fotonparen worden gegenereerd, geeft aan dat er een gecompliceerd proces moet plaatsvinden, " zegt theoreticus Olle Gunnarsson. Klaus Kern, Directeur van het Max Planck Instituut voor Solid State Research, is het ermee eens dat het proces opwindend is:"Het is opwindend omdat het een nieuw perspectief opent op hoe licht wordt geproduceerd."