Natuurkundigen van het Max Planck Institute of Quantum Optics zijn erin geslaagd om meer dan een dozijn fotonen efficiënt en op een gedefinieerde manier te verstrengelen. Daarmee leggen ze een basis voor een nieuw type kwantumcomputer. Hun studie is gepubliceerd in Nature .

De fenomenen van de kwantumwereld, die vanuit het perspectief van de gewone alledaagse wereld vaak bizar lijken, hebben al lang hun weg gevonden naar de technologie. Bijvoorbeeld verstrengeling:een kwantumfysische verbinding tussen deeltjes die ze op een vreemde manier verbindt over willekeurig lange afstanden. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt in een kwantumcomputer - een computer die, in tegenstelling tot een conventionele computer, talloze wiskundige bewerkingen tegelijk kan uitvoeren. Om een ​​kwantumcomputer winstgevend te kunnen gebruiken, moet echter een groot aantal verstrengelde deeltjes samenwerken. Het zijn de basiselementen voor berekeningen, zogenaamde qubits.

"Fotonen, de lichtdeeltjes, zijn hier bijzonder geschikt voor omdat ze van nature robuust en gemakkelijk te manipuleren zijn", zegt Philip Thomas, een doctoraalstudent aan het Max Planck Instituut voor Quantum Optica (MPQ) in Garching bij München. Samen met collega's van de Quantum Dynamics Division onder leiding van prof. Gerhard Rempe is hij er nu in geslaagd een belangrijke stap te zetten om fotonen bruikbaar te maken voor technologische toepassingen zoals quantum computing:voor het eerst genereerde het team tot 14 verstrengelde fotonen in een gedefinieerde manier en met een hoge efficiëntie.

Eén atoom als fotonenbron

"De truc van dit experiment was dat we een enkel atoom gebruikten om de fotonen uit te zenden en ze op een heel specifieke manier te verweven", zegt Thomas. Om dit te doen, plaatsten de Max Planck-onderzoekers een rubidiumatoom in het midden van een optische holte - een soort echokamer voor elektromagnetische golven. Met laserlicht van een bepaalde frequentie kon de toestand van het atoom nauwkeurig worden geadresseerd. Met een extra stuurpuls triggerden de onderzoekers ook specifiek de emissie van een foton dat verstrengeld is met de kwantumtoestand van het atoom.

"We hebben dit proces verschillende keren herhaald en op een vooraf bepaalde manier", meldt Thomas. Tussendoor werd het atoom op een bepaalde manier gemanipuleerd - in vakjargon:geroteerd. Op deze manier was het mogelijk om een ​​ketting te maken van maximaal 14 lichte deeltjes die door de atomaire rotaties met elkaar verstrengeld raakten en in een gewenste toestand werden gebracht. "Voor zover wij weten, zijn de 14 onderling verbonden lichtdeeltjes het grootste aantal verstrengelde fotonen dat tot nu toe in het laboratorium is gegenereerd", zegt Thomas.

Deterministisch generatieproces

Maar niet alleen de hoeveelheid verstrengelde fotonen is een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van krachtige kwantumcomputers, ook de manier waarop ze worden gegenereerd verschilt sterk van conventionele methoden. "Omdat de keten van fotonen voortkwam uit een enkel atoom, zou het op een deterministische manier kunnen worden geproduceerd", legt Thomas uit. Dat wil zeggen:in principe levert elke stuurpuls daadwerkelijk een foton af met de gewenste eigenschappen. Tot nu toe vond de verstrengeling van fotonen meestal plaats in speciale, niet-lineaire kristallen. De tekortkoming:daar worden de lichtdeeltjes in wezen willekeurig gecreëerd en op een manier die niet gecontroleerd kan worden. Dit beperkt ook het aantal deeltjes dat kan worden gebundeld tot een collectieve toestand.

Met de methode die het Garching-team gebruikt, kan daarentegen in principe een willekeurig aantal verstrengelde fotonen worden gegenereerd. Bovendien is de methode bijzonder efficiënt - nog een belangrijke maatstaf voor mogelijke toekomstige technische toepassingen:"Door de geproduceerde fotonenketen te meten, konden we een efficiëntie van bijna 50% bewijzen", zegt Philip Thomas. Dit betekent dat bijna elke seconde "druk op een knop" op het rubidium-atoom een ​​bruikbaar lichtdeeltje opleverde - veel meer dan in eerdere experimenten is bereikt. "Al met al verwijdert ons werk een al lang bestaand obstakel op de weg naar schaalbare, op metingen gebaseerde kwantumcomputers", zegt afdelingsdirecteur Gerhard Rempe..

Meer ruimte voor kwantumcommunicatie

De wetenschappers van de MPQ willen nog een andere hindernis wegnemen. Complexe computerbewerkingen zouden bijvoorbeeld ten minste twee atomen als fotonenbronnen in de resonator vereisen. De kwantumfysici spreken van een tweedimensionale clustertoestand. "We zijn al bezig om deze taak aan te pakken", zegt Philip Thomas.

De Max Planck-onderzoeker benadrukt ook dat mogelijke technische toepassingen veel verder reiken dan quantumcomputing:"Een ander toepassingsvoorbeeld is quantumcommunicatie" - de tapbestendige overdracht van informatie, bijvoorbeeld door licht in een optische vezel. Daar ondervindt het licht onvermijdelijke verliezen tijdens de voortplanting als gevolg van optische effecten zoals verstrooiing en absorptie, waardoor de afstand waarover gegevens kunnen worden getransporteerd, wordt beperkt. Met behulp van de in Garching ontwikkelde methode kon kwantuminformatie worden verpakt in verstrengelde fotonen en ook een bepaalde hoeveelheid lichtverlies overleven - en veilige communicatie over grotere afstanden mogelijk maken. + Verder verkennen

Onderzoekers bereiken recordverstrengeling van kwantumgeheugens