Het is weer een stap op weg naar de ontwikkeling van toepassingen voor kwantuminformatieverwerking:een belangrijk experiment slaagde erin de eerder gedefinieerde limieten voor fotontoepassingen te overschrijden. Anahita Khodadad Kashi en Prof. Dr. Michael Kues van het Institute of Photonics en de Cluster of Excellence PhoenixD aan de Leibniz University Hannover (Duitsland) hebben een nieuw interferentie-effect aangetoond. De wetenschappers hebben zo aangetoond dat nieuwe kleurgecodeerde fotonische netwerken kunnen worden afgetapt, en het aantal betrokken fotonen kan worden geschaald. "Deze ontdekking kan nieuwe benchmarks in kwantumcommunicatie mogelijk maken, computationele operaties van kwantumcomputers en kwantummeettechnieken en is haalbaar met bestaande optische telecommunicatie-infrastructuur, ' zegt Kues.

Het beslissende experiment werd met succes uitgevoerd in het nieuw opgerichte Quantum Photonics Laboratory (QPL) van het Institute of Photonics en het Hannover Center for Optical Technologies aan de Leibniz University Hannover. Anahita Khodadad Kashi slaagde erin om onafhankelijk gegenereerde pure fotonen met verschillende kleuren kwantummechanisch te verstoren, d.w.z., frequenties. Khodadad Kashi ontdekte een zogenaamd Hong-Ou-Mandel-effect.

Hong-Ou-Mandel-interferentie is een fundamenteel effect van kwantumoptica dat de basis vormt voor veel kwantuminformatieverwerkingstoepassingen, van kwantumcomputers tot kwantummetrologie. Het effect beschrijft hoe twee fotonen zich gedragen wanneer ze botsen op een ruimtelijke bundelsplitser en verklaart het fenomeen van kwantummechanische interferentie.

De onderzoekers hebben nu een frequentiebundelsplitser gerealiseerd met behulp van telecommunicatiecomponenten en demonstreren voor het eerst het Hong-Ou-Mandel-effect tussen twee onafhankelijk gegenereerde fotonen in het frequentiedomein. In tegenstelling tot andere afmetingen, zoals de polarisatie (oscillatievlak van het elektrische veld) of de positie van het foton (ruimtelijke lokalisatie), de frequentie is veel minder storingsgevoelig. "Onze aanpak maakt flexibele configureerbaarheid en toegang tot hoogdimensionale systemen mogelijk, die in de toekomst kunnen leiden tot grootschalige beheersbare kwantumsystemen, ", zegt Kues. Dit twee-fotoninterferentiefenomeen kan dienen als basis voor een kwantuminternet, niet-klassieke communicatie en kwantumcomputers. Met andere woorden, de resultaten kunnen worden gebruikt voor op frequentie gebaseerde kwantumnetwerken. Een ander opmerkelijk kenmerk van de nieuwe ontdekking is dat deze prestatieverbetering kan worden gebruikt met bestaande infrastructuur, d.w.z. standaard glasvezelverbindingen voor aansluiting op internet. Het gebruik van kwantumtechnologieën thuis zou dus in de toekomst theoretisch mogelijk kunnen worden gemaakt.

"Ik was erg blij dat ons experiment het Hong-Ou-Mandel-effect in het frequentiedomein kon aantonen, ", zegt Khodadad Kashi. De onderzoeker verhuisde in 2019 naar Hannover na het afronden van haar master in elektrotechniek, focus op fotonica aan de Iran University of Science and Technology in Teheran. Vanaf dat moment, ze heeft het zevenkoppige team van prof. Kues versterkt. Kues is sinds het voorjaar van 2019 hoogleraar aan de Leibniz University Hannover en doet in de Cluster of Excellence PhoenixD onderzoek naar de ontwikkeling van fotonische kwantumtechnologieën met behulp van micro- en nanofotonica. In de toekomst, Kashi en Kues zullen hun onderzoek naar het onderwerp van spectrale Hong-Ou-Mandel-interferentie voortzetten. "Ik zou het huidige experiment willen uitbreiden om het aangetoonde effect voor de verwerking van kwantuminformatie te benutten, " zegt Khodadad Kashi.