Supersnelle kwantumcomputers en communicatieapparatuur kunnen een revolutie teweegbrengen in talloze aspecten van ons leven, maar eerst, onderzoekers hebben behoefte aan een snelle, efficiënte bron van de verstrengelde fotonenparen die dergelijke systemen gebruiken om informatie te verzenden en te manipuleren. Onderzoekers van het Stevens Institute of Technology hebben precies dat gedaan, niet alleen het creëren van een op chips gebaseerde fotonenbron die 100 keer efficiënter is dan voorheen mogelijk was, maar brengen massale kwantumapparaatintegratie binnen handbereik.

"Er werd lang vermoed dat dit in theorie mogelijk was, maar we zijn de eersten die het in de praktijk laten zien, " zei Yuping Huang, Gallagher universitair hoofddocent natuurkunde en directeur van het Center for Quantum Science and Engineering.

Om fotonparen te maken, onderzoekers vangen licht op in zorgvuldig gebeeldhouwde microholtes op nanoschaal; als licht circuleert in de holte, zijn fotonen resoneren en splitsen zich in verstrengelde paren. Maar er is een addertje onder het gras:momenteel dergelijke systemen zijn uiterst inefficiënt, waarvoor een stortvloed van binnenkomend laserlicht van honderden miljoenen fotonen nodig is voordat een enkel verstrengeld fotonenpaar met tegenzin aan het andere uiteinde naar buiten druppelt.

Huang en collega's van Stevens hebben nu een nieuwe, op chips gebaseerde fotonenbron ontwikkeld die 100 keer efficiënter is dan elk eerder apparaat. waardoor de creatie van tientallen miljoenen verstrengelde fotonparen per seconde uit een enkele microwatt-aangedreven laserstraal mogelijk is.

"Dit is een enorme mijlpaal voor kwantumcommunicatie, " zei Huang, wiens werk zal verschijnen in het nummer van 17 december van Fysieke beoordelingsbrieven .

Werken met Stevens afgestudeerde studenten Zhaohui Ma en Jiayang Chen, Huang bouwde voort op het eerdere onderzoek van zijn laboratorium om uiterst hoogwaardige microholtes te kerven in vlokken lithiumniobaatkristal. De racebaanvormige holtes reflecteren intern fotonen met zeer weinig energieverlies, waardoor licht langer kan circuleren en efficiënter kan interageren.

Door aanvullende factoren zoals temperatuur, het team was in staat om een ​​ongekend heldere bron van verstrengelde fotonparen te creëren. In praktijk, waarmee fotonparen in veel grotere hoeveelheden kunnen worden geproduceerd voor een bepaalde hoeveelheid binnenkomend licht, drastisch verminderen van de energie die nodig is om kwantumcomponenten van stroom te voorzien.

Het team werkt al aan manieren om hun proces verder te verfijnen, en zeggen dat ze verwachten binnenkort de ware Heilige Graal van de kwantumoptica te bereiken:een systeem waarmee een enkel binnenkomend foton kan veranderen in een verstrengeld paar uitgaande fotonen, met vrijwel geen verspilde energie onderweg. “Het is zeker haalbaar, "zei Chen. "Op dit punt hebben we alleen maar stapsgewijze verbeteringen nodig."

Tot dan, het team is van plan om hun technologie verder te verfijnen, en zoeken naar manieren om hun fotonbron te gebruiken om logische poorten en andere kwantumcomputer- of communicatiecomponenten aan te sturen. "Omdat deze technologie al op chips is gebaseerd, we zijn klaar om op te schalen door andere passieve of actieve optische componenten te integreren, " legde Huang uit.

Het ultieme doel, Huang zei, is om kwantumapparaten zo efficiënt en goedkoop in gebruik te maken dat ze kunnen worden geïntegreerd in reguliere elektronische apparaten. "We willen kwantumtechnologie uit het lab halen, zodat het een ieder van ons ten goede kan komen, "legde hij uit. "Op een dag willen we dat kinderen kwantumlaptops in hun rugzakken hebben, en we doen er alles aan om dat te realiseren."