De ontwikkeling van technologieën die informatie kunnen verwerken op basis van de wetten van de kwantumfysica zal naar verwachting ingrijpende gevolgen hebben voor de moderne samenleving.

Bijvoorbeeld, kwantumcomputers kunnen de sleutel zijn tot het oplossen van problemen die te complex zijn voor de krachtigste supercomputers van vandaag, en een kwantuminternet zou uiteindelijk de informatie van de wereld kunnen beschermen tegen kwaadaardige aanvallen.

Echter, deze technologieën zijn allemaal gebaseerd op "kwantuminformatie, " die typisch is gecodeerd in enkele kwantumdeeltjes die extreem moeilijk te controleren en te meten zijn.

Wetenschappers van de Universiteit van Bristol, in samenwerking met de Technische Universiteit van Denemarken (DTU), hebben met succes apparaten op chipschaal ontwikkeld die de toepassingen van de kwantumfysica kunnen benutten door afzonderlijke lichtdeeltjes te genereren en te manipuleren in programmeerbare circuits op nanoschaal.

Deze chips kunnen kwantuminformatie coderen in licht dat in de circuits wordt gegenereerd en kunnen de "kwantuminformatie" met hoge efficiëntie en extreem weinig ruis verwerken. Deze demonstratie zou een aanzienlijke boost kunnen geven aan het vermogen om complexere kwantumcircuits te produceren die nodig zijn in kwantumcomputing en communicatie.

Hun werk, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica en gratis beschikbaar in preprint-vorm op de arXiv preprint-server, organiseert een reeks kwantumdemonstraties.

In een van de baanbrekende experimenten, onderzoekers van de Quantum Engineering Technology Labs (QET Labs) van de University of Bristol demonstreren voor het eerst de kwantumteleportatie van informatie tussen twee programmeerbare chips, die volgens hen een hoeksteen is van kwantumcommunicatie en kwantumcomputing.

Kwantumteleportatie biedt de overdracht van kwantumtoestanden van een kwantumdeeltje van de ene plaats naar de andere door gebruik te maken van verstrengeling. Teleportatie is niet alleen nuttig voor kwantumcommunicatie, maar is een fundamentele bouwsteen van optische kwantumcomputers. Het tot stand brengen van een verstrengelde communicatieverbinding tussen twee chips in het laboratorium is echter een grote uitdaging gebleken.

Bristol Co-auteur Dan Llewellyn zei:"We waren in staat om een ​​hoogwaardige verstrengelingsverbinding over twee chips in het laboratorium aan te tonen, waarbij fotonen op beide chips een enkele kwantumtoestand delen.

"Elke chip werd vervolgens volledig geprogrammeerd om een ​​reeks demonstraties uit te voeren die gebruik maken van de verstrengeling.

"De vlaggenschipdemonstratie was een teleportatie-experiment met twee chips, waarbij de individuele kwantumtoestand van een deeltje over de twee chips wordt verzonden nadat een kwantummeting is uitgevoerd. Deze meting maakt gebruik van het vreemde gedrag van de kwantumfysica, die tegelijkertijd de verstrengelingslink doet instorten en de deeltjestoestand overbrengt naar een ander deeltje dat zich al op de ontvangerchip bevindt."

Een andere co-auteur, Dr. Imad Faruque, ook uit Bristol, toegevoegd:"Op basis van ons eerdere resultaat van on-chip hoogwaardige single-photon-bronnen, we hebben een nog complexere schakeling gebouwd met vier bronnen.

"Al deze bronnen zijn getest en bleken bijna identiek te zijn en bijna identieke fotonen uit te zenden, wat een essentieel criterium is voor de reeks experimenten die we hadden uitgevoerd, zoals verstrengeling swapping."

De resultaten toonden extreem high-fidelity kwantumteleportatie van 91 procent. In aanvulling, konden de onderzoekers enkele andere belangrijke functionaliteit van hun ontwerpen demonstreren, zoals verstrengeling swapping (vereist voor kwantumrepeaters en kwantumnetwerken) en vier-foton GHZ-toestanden (vereist in kwantumcomputing en het kwantuminternet).

Volgens co-auteur Dr. Yunhong Ding, van DTU, weinig verlies, hoge stabiliteit, en uitstekende beheersbaarheid zijn uiterst belangrijk voor geïntegreerde kwantumfotonica. Hij zei:"Dit experiment is mogelijk gemaakt dankzij de ultramoderne low-loss siliciumfotonica-technologie op basis van hoogwaardige fabricage bij de DTU."

Hoofdauteur, Dr. Jianwei Wang, nu aan de Universiteit van Peking, zei:"In de toekomst een enkele Si-chip-integratie van kwantumfotonische apparaten en klassieke elektronische besturingen zal de deur openen voor volledig op chips gebaseerde CMOS-compatibele kwantumcommunicatie- en informatieverwerkingsnetwerken."