Voor de eerste keer, onderzoekers zijn erin geslaagd om over grote afstand een sterke koppeling te creëren tussen quantumsystemen. Ze bereikten dit met een nieuwe methode waarbij een laserlus de systemen verbindt, waardoor bijna verliesloze uitwisseling van informatie en sterke interactie tussen hen mogelijk is. In het journaal Wetenschap , natuurkundigen van de Universiteit van Basel en de Universiteit van Hannover meldden dat de nieuwe methode nieuwe mogelijkheden opent in kwantumnetwerken en kwantumsensortechnologie.

Quantumtechnologie is momenteel een van de meest actieve onderzoeksgebieden ter wereld. Het maakt gebruik van de speciale eigenschappen van kwantummechanische toestanden van atomen, licht, of nanostructuren te ontwikkelen, bijvoorbeeld, nieuwe sensoren voor geneeskunde en navigatie, netwerken voor informatieverwerking en krachtige simulatoren voor materiaalwetenschappen. Het genereren van deze kwantumtoestanden vereist normaal gesproken een sterke interactie tussen de betrokken systemen, zoals tussen verschillende atomen of nanostructuren.

Tot nu, echter, voldoende sterke interacties waren beperkt tot korte afstanden. Typisch, twee systemen moesten dicht bij elkaar op dezelfde chip worden geplaatst bij lage temperaturen of in dezelfde vacuümkamer, waar ze interageren via elektrostatische of magnetostatische krachten. Door ze over grotere afstanden te koppelen, echter, is vereist voor veel toepassingen zoals kwantumnetwerken of bepaalde soorten sensoren.

Een team van natuurkundigen, onder leiding van professor Philipp Treutlein van de afdeling Natuurkunde aan de Universiteit van Basel en het Zwitserse Nanoscience Institute (SNI), is er nu voor het eerst in geslaagd om een ​​sterke koppeling te creëren tussen twee systemen over een grotere afstand in een omgeving met kamertemperatuur. In hun experiment hebben de onderzoekers koppelden met laserlicht de trillingen van een 100 nanometer dun membraan aan de beweging van de spin van atomen over een afstand van een meter. Als resultaat, elke trilling van het membraan zet de spin van de atomen in beweging en vice versa.

Een lichtlus werkt als een mechanische veer

Het experiment is gebaseerd op een concept dat de onderzoekers samen met theoretisch fysicus professor Klemens Hammerer van de Universiteit van Hannover ontwikkelden. Het gaat om het heen en weer sturen van een bundel laserlicht tussen de systemen. "Het licht gedraagt ​​zich dan als een mechanische veer die gespannen is tussen de atomen en het membraan, en brengt krachten tussen de twee over, " legt Dr. Thomas Karg uit, die de experimenten uitvoerde als onderdeel van zijn proefschrift aan de Universiteit van Basel. In deze laserlus, de eigenschappen van het licht kunnen zodanig worden gecontroleerd dat er geen informatie over de beweging van de twee systemen verloren gaat aan de omgeving, waardoor de kwantummechanische interactie niet wordt verstoord.

De onderzoekers zijn er nu in geslaagd om dit concept voor het eerst experimenteel te implementeren en in een reeks experimenten te gebruiken. "De koppeling van kwantumsystemen met licht is zeer flexibel en veelzijdig, " legt Treutlein uit. "We kunnen de laserstraal tussen de systemen regelen, waarmee we verschillende soorten interacties kunnen genereren die nuttig zijn voor kwantumsensoren, bijvoorbeeld."

Een nieuwe tool voor kwantumtechnologieën

Naast het koppelen van atomen met nanomechanische membranen, de nieuwe methode kan ook in verschillende andere systemen worden gebruikt; bijvoorbeeld, bij het koppelen van supergeleidende quantumbits of solid-state spinsystemen die worden gebruikt in quantum computing-onderzoek. De nieuwe techniek voor lichtgemedieerde koppeling zou kunnen worden gebruikt om dergelijke systemen met elkaar te verbinden, het creëren van kwantumnetwerken voor informatieverwerking en simulaties. Treutlein is ervan overtuigd:"Dit is een nieuwe, zeer nuttig hulpmiddel voor onze toolbox voor kwantumtechnologie."