Onderzoekers onder leiding van medewerkers van de TU Delft hebben twee stappen gezet in de conversie van kwantumtoestanden tussen signalen in het microgolf- en optische domein. Dit is van groot belang om toekomstige supergeleidende kwantumcomputers te verbinden tot een wereldwijd kwantumnetwerk. Deze week rapporteren ze over hun bevindingen in Natuurfysica en in Fysieke beoordelingsbrieven .

Conversie tussen signalen in het microgolf- en optische domein is van groot belang, met name voor het verbinden van toekomstige supergeleidende kwantumcomputers tot een wereldwijd kwantumnetwerk. Veel toonaangevende inspanningen op het gebied van kwantumtechnologieën, inclusief supergeleidende qubits en kwantumdots, kwantuminformatie delen via fotonen in het microgolfregime. Hoewel dit een indrukwekkende mate van kwantumcontrole mogelijk maakt, het beperkt ook de afstand die de informatie realistisch kan afleggen voordat deze verloren gaat tot slechts enkele centimeters.

Tegelijkertijd, op het gebied van optische kwantumcommunicatie zijn er al demonstraties geweest over afstandsschalen die in staat zijn om real-world toepassingen te bieden. Door informatie in de optische telecomband te verzenden, op glasvezel gebaseerde kwantumnetwerken over tientallen of zelfs honderden kilometers zijn denkbaar. "Om verschillende kwantumcomputerknooppunten over grote afstanden te verbinden tot een kwantuminternet, het is daarom van vitaal belang om kwantuminformatie van de microgolf naar het optische domein te kunnen omzetten, en terug, " zegt prof. dr. Simon Groeblacher van de TU Delft. "Dit wordt niet alleen enorm interessant voor kwantumtoepassingen, maar ook voor zeer efficiënte, geluidsarme conversie tussen klassieke optische en elektrische signalen."

grondtoestand

Er zijn verschillende veelbelovende benaderingen gevolgd om een ​​microgolf-naar-optica-converter te realiseren, bijvoorbeeld door te proberen de signalen te koppelen via een mechanisch systeem (oscillator). Maar ze hebben tot nu toe allemaal gewerkt met een aanzienlijke thermische ruisachtergrond. "We hebben deze beperking overwonnen en een coherente conversie aangetoond tussen GHz-microgolfsignalen en de optische telecomband met minimale thermische achtergrondruis, "Moritz Forsch, een van de twee hoofdauteurs van de publicaties, verklaart.

Om dit te behalen, het was nodig om de mechanische oscillator af te koelen tot de kwantumgrondtoestand van beweging. De lage thermische bezetting vormt de basis voor kwantumcontrole over mechanische toestanden. Rob Stockill, de andere hoofdauteur, vervolgt:"We gebruiken een geïntegreerde, on-chip elektro-opto-mechanisch apparaat dat akoestische oppervlaktegolven, aangedreven door een resonerend microgolfsignaal, koppelt aan een optomechanisch kristal. We initialiseren de mechanische modus in zijn kwantumgrondtoestand, waardoor we het transductieproces kunnen uitvoeren met minimale toegevoegde thermische ruis, terwijl ze volhouden dat microgolffotonen die in de mechanische resonator zijn afgebeeld, effectief worden geconverteerd naar het optische domein."

Piëzo-elektrische materialen

Het team van Groebacher heeft onlangs weer een stap voorwaarts gemaakt op dit gebied, door zich te concentreren op het gebruik van nieuwe piëzo-elektrische materialen. Deze materialen, waarin elektrische velden worden geproduceerd als gevolg van mechanische spanning, zou van groot belang kunnen zijn voor de transductie van kwantuminformatie tussen verschillende dragers. De elektromechanische koppeling maakt in principe transductie van een kwantumtoestand tussen de microgolf- en optische frequentiedomeinen in dit materiaal mogelijk. Een veelbelovende aanpak is daarom het bouwen van geïntegreerde piëzo-elektrische opto-mechanische apparaten, die vervolgens worden gekoppeld aan microgolfcircuits.

"We hebben zo'n piëzo-elektrisch optomechanisch apparaat ontworpen en gekarakteriseerd, vervaardigd uit galliumfosfide, waarin een mechanische modus van 2,9 GHz is gekoppeld aan een optische resonator van hoge kwaliteit in de telecomband. De grote elektronische bandgap en de resulterende lage optische absorptie van dit nieuwe materiaal, vergelijkbaar met apparaten vervaardigd uit silicium, stelt ons in staat om kwantumgedrag van de structuur aan te tonen, " zegt prof. Groebacher.

Volgende stap

Het apparaat vervaardigd uit galliumfosfide (GaP) overtreft ver de huidige prestaties in GaAs of andere piëzo-elektrische materialen die doorgaans in vergelijkbare benaderingen worden gebruikt. De volgende stap voor de onderzoekers is om voort te bouwen op de succesvolle werking van het GaP-apparaat in dit parameterregime en het gebruik van dit opwindende materiaal verder te onderzoeken. Gezien de brede elektronische bandgap en piëzo-elektrische eigenschappen van GaP, deze onderzoeksresultaten openen de deur voor nieuwe kwantumexperimenten en het potentieel voor het gebruik van dergelijke apparaten voor microgolf-naar-optica-conversie van enkele fotonen.

De publicatie in Natuurfysica was een samenwerking tussen de TU Delft, de Universiteit van Wenen, Technische Universiteit Eindhoven en NIST.

De publicatie in Fysieke beoordelingsbrieven was een samenwerking tussen de TU Delft, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay en Université de Paris.