De eerste kwantumrevolutie bracht halfgeleiderelektronica tot stand, de laser en tenslotte het internet. de komende, tweede kwantumrevolutie belooft spionagebestendige communicatie, uiterst nauwkeurige kwantumsensoren en kwantumcomputers voor voorheen onoplosbare rekentaken. Maar deze revolutie staat nog in de kinderschoenen. Een centraal onderzoeksobject is de interface tussen lokale kwantumapparaten en lichtquanta die de overdracht van zeer gevoelige kwantuminformatie op afstand mogelijk maken. De Otto-Hahn-groep "Quantum Networks" van het Max-Planck-Instituut voor Quantum Optics in Garching doet onderzoek naar zo'n "kwantummodem". Het team heeft nu een eerste doorbraak bereikt in een relatief eenvoudige maar zeer efficiënte technologie die kan worden geïntegreerd in bestaande glasvezelnetwerken. Het werk verschijnt deze week in Fysieke beoordeling X .

De Corona-pandemie herinnert ons er dagelijks aan hoe belangrijk internet is geworden. Het wereldwijde web, ooit een bijproduct van fundamenteel fysiek onderzoek, heeft onze cultuur radicaal veranderd. Zou een kwantuminternet de volgende grote innovatie uit de natuurkunde kunnen worden?

Het is nog te vroeg om die vraag te beantwoorden, maar fundamenteel onderzoek werkt al aan het kwantuminternet. Veel toepassingen zullen meer gespecialiseerd en minder sensueel zijn dan videoconferenties, maar het belang van absoluut spionbestendige langeafstandscommunicatie is voor iedereen begrijpelijk. "In de toekomst, een kwantuminternet zou kunnen worden gebruikt om kwantumcomputers op verschillende plaatsen met elkaar te verbinden, "Andreas Reiserer zegt, "wat hun rekenkracht aanzienlijk zou vergroten!" De natuurkundige leidt de onafhankelijke Otto-Hahn onderzoeksgroep "Quantum Networks" aan het Max-Planck-Instituut voor Quantum Optics in Garching.

Een kwantuminternet gaat dus in wezen over het wereldwijde netwerken van nieuwe technologieën die veel consequenter gebruik maken van kwantumfysica dan ooit tevoren. Echter, dit vereist geschikte interfaces voor de uiterst gevoelige kwantuminformatie. Dit is een enorme technische uitdaging, daarom staan ​​dergelijke interfaces centraal in fundamenteel onderzoek. Ze moeten ervoor zorgen dat stationaire kwantumbits - kortweg qubits - efficiënt samenwerken met 'vliegende' qubits voor communicatie over lange afstand zonder de kwantuminformatie te vernietigen. Stationaire qubits bevinden zich op lokale apparaten, bijvoorbeeld als geheugen of processor van een kwantumcomputer. Vliegende qubits zijn typisch lichte quanta, fotonen, die de kwantuminformatie door de lucht transporteren, een vacuüm van de ruimte of via glasvezelnetwerken.

Gevoelige verbinding tussen kwantumbits

Het "kwantummodem" is ontworpen om efficiënt een verbinding tot stand te brengen tussen vliegende en stationaire qubits. Voor dit doeleinde, het team rond promovendus Benjamin Merkel heeft een nieuwe technologie ontwikkeld en heeft zojuist de basisfunctionaliteit ervan gedemonstreerd. Het cruciale voordeel is dat het kan worden geïntegreerd in het bestaande glasvezelnetwerk voor telecommunicatie. Dit zou de snelste manier zijn om een ​​functionerend langeafstandsnetwerk van kwantumtechnologieën te bevorderen.

Om dit systeem te laten werken, de fotonen die door de modem als kwantuminformatiedragers worden verzonden of ontvangen, moeten precies worden afgestemd op de infrarode golflengte van het laserlicht dat voor telecommunicatie wordt gebruikt. Dat betekent dat de modem qubits in rust moet hebben die met een kwantumsprong precies kunnen reageren op deze infraroodfotonen. Alleen op deze manier kan de gevoelige kwantuminformatie direct tussen de qubits in rust en de vliegende qubits worden overgedragen.

Uitgebreid onderzoek door de groep uit Garching toonde aan dat het element erbium hiervoor het meest geschikt is. Zijn elektronen kunnen een perfect passende kwantumsprong maken. Helaas, de erbiumatomen zijn erg terughoudend om deze kwantumsprong te maken. Daarom, ze moeten gefixeerd zijn in een omgeving die hen dwingt sneller te reageren. Om dit probleem op te lossen, de erbiumatomen en de infraroodfotonen worden zo lang mogelijk opgesloten in een geschikte ruimte. "Je kunt het zien als een feest, die de best mogelijke communicatie tussen, laten we zeggen, tien gasten, " legt Reiserer uit. De grootte van de ruimte is hier cruciaal. "In een voetbalstadion zouden de gasten verdwalen, een telefooncel zou op zijn beurt te klein zijn, " gaat de natuurkundige verder, "maar een woonkamer zou het ook prima doen."

Het feest, echter, zou snel voorbij zijn omdat de fotonen met de snelheid van het licht reizen en daarom zeer vluchtig zijn en altijd in de verleiding komen om te vertrekken. Dit is de reden waarom de Garching-kwantummodem een ​​kleine spiegelkast als "huiskamer" daarvoor gebruikt, het team verpakte de atomen in een transparant kristal gemaakt van een yttriumsilicaatverbinding, die vijf keer dunner is dan een mensenhaar. Dit kristal, beurtelings, wordt als een sandwich tussen twee bijna perfecte spiegels geplaatst. Om het warmtewiebelen van de atomen te elimineren, wat destructief is voor kwantuminformatie, het hele ensemble wordt afgekoeld tot min 271 °C.

Foton pingpong in de spiegelkast

De fotonen die tussen de spiegels gevangen zitten, worden als pingpongballen heen en weer gereflecteerd door het kristal. Ze passeren de erbiumatomen zo vaak dat de atomen genoeg tijd hebben om met een kwantumsprong te reageren. Vergeleken met een situatie zonder spiegelkast, dit gebeurt veel efficiënter en bijna zestig keer sneller. Sinds de spiegels, ondanks hun perfectie, zijn ook licht doorlatend voor de fotonen, de modem kan verbinding maken met het netwerk.

"We zijn erg blij met dit succes, " zegt Reiserer. Als volgende stap, hij wil het experiment zo verbeteren dat individuele erbiumatomen via laserlicht als qubits kunnen worden aangesproken. Dit is niet alleen een belangrijke stap op weg naar een bruikbaar kwantummodem. Erbium-atomen als qubits in een kristal kunnen zelfs direct dienen als kwantumprocessor, dat is het centrale deel van een kwantumcomputer. Dit zou de modem gemakkelijk compatibel maken met dergelijke kwantumterminals.

Met zo'n elegante oplossing, relatief eenvoudig geconstrueerde "kwantumrepeaters" zouden ook mogelijk worden. Elke honderd kilometer, de apparaten zouden de toenemende verliezen aan kwantuminformatie die door fotonen in het glasvezelnetwerk worden getransporteerd, moeten compenseren. Dergelijke "kwantumrepeaters" staan ​​ook centraal in internationaal onderzoek. "Hoewel zo'n apparaat op basis van onze technologie zo'n honderdduizend euro zou kosten, wijdverbreid gebruik zou niet onrealistisch zijn, ' zegt Reiser.

Het Garching-kwantummodem is nog steeds puur fundamenteel onderzoek. Maar het heeft het potentieel om de technische realisatie van een kwantuminternet te bevorderen.