Wetenschap
Onderzoekers creëren complexe kwantumgrafieken met fotonen
De verstrengeling van kwantumsystemen vormt de basis van alle kwantuminformatietechnologieën. Complexe vormen van verstrengeling tussen verschillende kwantumbits zijn bijzonder interessant.
Dit resulteert echter niet alleen in enorme rekenkracht, maar ook in enorme explosies van formules wanneer ze wiskundig worden beschreven. De abstracte grafische weergave van deze complexe toestanden in de vorm van bijvoorbeeld ‘sterren’, ‘ringen’ of ‘bomen’ biedt een elegante vereenvoudiging.
Het team van Olivier Morin op de afdeling van Gerhard Rempe, directeur van het Max Planck Instituut voor Quantum Optica in Garching, is er nu voor het eerst in geslaagd om in een experiment een ringvormige en een boomvormige grafiektoestand te creëren. Dit is een grote doorbraak voor de ontwikkeling van quantumcomputers of het quantuminternet.
In een toekomstig kwantuminternet, waar Rempe al lang als pionier onderzoek naar doet, zouden lichtkwanta daardoor verstrengeld kunnen worden om een kwantumboodschap te vormen die veel stabieler is tegen verliezen. Het werk is gepubliceerd in Nature .
Het concept van verstrengeling vormt de basis van alle kwantuminformatietechnologieën die worden onderzocht en ontwikkeld, of het nu gaat om kwantumcomputers of het kwantuminternet. Paren van quantumbits, kortweg qubits, die met elkaar verstrengeld zijn, dienen als basiselement.
Je kunt je zo'n paar voorstellen als twee LED-lampen die via een kabel met elkaar zijn verbonden. Door er steeds meer van aan elkaar te koppelen, kunnen langere lichtketens worden gevormd. De lampjes vertegenwoordigen de qubits, de stukjes kabel de verstrengeling ertussen. Hierdoor kun je niet alleen kettingen creëren, maar ook ringen, sterren of boomvormige structuren.
Het tekenen van een afbeelding die in deze analogie op kerstversieringen lijkt, kan echter ook zeer interessant zijn voor de verwerking van kwantuminformatie, nu terug in de vorm van verstrengelde qubits. “Met een laddervormige configuratie van verstrengelde qubits kan bijvoorbeeld een universele kwantumcomputer worden gebouwd”, legt Gerhard Rempe uit.
Zijn onderzoeksinteresse ligt in het kwantuminternet, waarbij kwantuminformatie, verpakt in verstrengelde fotonen als ‘vliegende qubits’, via glasvezelnetwerken wordt verzonden. De grootste uitdaging hier is het verlies aan fotonen, dat exponentieel toeneemt met de lengte van de transmissie.
Als tegengif zou het bijvoorbeeld slim zijn om een boomvormige verstrengeling over een stroom fotonen heen te leggen die na elkaar vliegen. "Je zou er redundant kwantuminformatie in kunnen schrijven", legt Rempe uit, "en zelfs als slechts de helft van de fotonen bij de ontvanger zou aankomen, zou het deze informatie nog steeds kunnen reproduceren."
Elegante grafieknotatie voor complexe verstrengelingen
Van buitenaf gezien zou de stroom fotonen volgens de natuurkundige altijd op een parelsnoer lijken, ongeacht de vorm van de grafische kwantumtoestand van de fotonen. De grafische weergave als ster, boom of ring bevindt zich in een abstracte wiskundige ruimte.
De wiskundige natuurkunde heeft het vele jaren geleden ontwikkeld om een probleem op te lossen:hoe meer qubits met elkaar verstrengeld zijn, vooral in dwarsverbindingen, des te groter worden de kwantummechanische formules die je zou moeten opschrijven.
Dit is in wezen dezelfde exponentiële explosie die de rekenkracht van kwantumbits produceert. De grafische weergave daarentegen is verrukkelijk eenvoudig:knooppunten symboliseren de kwantumbits, lijnen daartussen de verstrengeling.
Extreem moeilijk experimenteel te realiseren
Wat in theorie wonderbaarlijk elegant en eenvoudig lijkt, is echter in experimenten uiterst moeilijk te realiseren. "In 2007 dachten we voor het eerst dat we kwantummechanische graftoestanden konden produceren met behulp van onze experimentele technieken", zegt Rempe.
De natuurkundeprofessor heeft tientallen jaren besteed aan het perfectioneren van een proces waarbij individuele atomen gevangen zitten tussen twee sterk reflecterende spiegels. Deze optische holtes kunnen worden gebruikt om verschillende fundamentele vragen in de natuurkunde aan te pakken, zoals hoe licht interageert met materie. Zo'n holte werkt op het atoom als twee spiegels waartussen je jezelf kunt plaatsen, waarbij je jezelf ontelbaar vaak ziet als een weerspiegeling in een weerspiegeling enzovoort.
Zodra een atoom oplicht, dat wil zeggen een foton uitzendt, 'ziet' het honderdduizenden verlichte atomen, spiegelbeelden van zichzelf. Dit dwingt het atoom om het foton precies in de richting van de spiegelas uit te zenden. Eén van de twee spiegels is net zo doorlaatbaar als bij een laser, waardoor het foton uit de "spiegelzaal" kan ontsnappen en door een detector kan worden geregistreerd.
Alleen door deze truc weten de onderzoekers waar ze het kleine foton moeten zoeken en kunnen ze de detector dus correct positioneren. Het atoom zelf, zwevend in een lichtveld, kan door de open uiteinden van de holte worden gemanipuleerd met behulp van lasers en uiterst nauwkeurige optica.
Fysiek gescheiden qubits worden samengevoegd tot één logische qubit
In 2007 slaagde een promovendus er voor het eerst in om een atoom op deze manier twee verstrengelde fotonen te laten uitzenden. Dit was de eerste vonk voor Rempe. In 2022 behaalde de groep van Olivier Morin in de afdeling Rempe 12 kettingvormige en 14 stervormige verstrengelde fotonen – een wereldrecord.
Wiskundig gezien waren dit echter slechts eendimensionale grafiektoestanden, inclusief de 'ster'. Om tot ringen of bomen te komen was een tweede dimensie nodig, een ‘gebied’ in de abstracte ruimte van grafiektoestanden.
Het team heeft twee rubidium-87-atomen in de optische holte gevangen en een eendimensionale grafiektoestand met beide atomen voorbereid, waarin het atoom verstrengeld is met veel fotonen. Door een gezamenlijke meting aan beide atomen worden de twee fysiek gescheiden atomaire qubits vervolgens "gesmolten" tot één enkele "logische" qubit. Dit genereert vervolgens een tweedimensionale grafiekstatus.
Op deze manier is het bijvoorbeeld mogelijk geweest om eenvoudige fotonenketens samen te smelten tot een boomvormige grafiek, en zo complexe verstrengelingspatronen te genereren die geschikt zijn voor geavanceerde toepassingen.
"De implicaties zijn gigantisch", zegt Rempe over deze doorbraak na een bijna tien jaar durende wetenschappelijke marathon. "Er vormt zich momenteel een hele nieuwe onderzoeksgemeenschap rond dit onderwerp."