"Wanneer licht een optische vezel binnendringt, wordt het op complexe manieren verstrooid en gemengd", legt professor Malik uit. "Door dit complexe proces te leren kennen en het licht dat de optische vezel binnenkomt nauwkeurig vorm te geven, hebben we een manier gevonden om zorgvuldig een circuit voor licht binnen deze aandoening te ontwerpen."

Optische circuits zijn van cruciaal belang voor de ontwikkeling van toekomstige kwantumtechnologieën – die op microscopisch niveau worden ontwikkeld door te werken met individuele atomen of fotonen – lichtdeeltjes. Deze technologieën omvatten krachtige kwantumcomputers met een enorme verwerkingskracht en kwantumcommunicatienetwerken die niet kunnen worden gehackt.

“Aan het einde van kwantumcommunicatienetwerken zijn bijvoorbeeld optische circuits nodig, zodat de informatie kan worden gemeten nadat deze over lange afstanden is afgelegd”, legt professor Malik uit. "Ze zijn ook een belangrijk onderdeel van een kwantumcomputer, waar ze worden gebruikt voor het uitvoeren van complexe berekeningen met lichtdeeltjes."

Er wordt verwacht dat kwantumcomputers grote vooruitgang zullen boeken op gebieden als de ontwikkeling van medicijnen, klimaatvoorspelling en ruimteverkenning. Machine learning (kunstmatige intelligentie) is een ander gebied waar optische circuits worden gebruikt om grote hoeveelheden gegevens zeer snel te verwerken.

Professor Malik zei dat de kracht van licht zich in meerdere dimensies bevindt.

"We kunnen veel informatie over een enkel lichtdeeltje coderen", legde hij uit. "Over de ruimtelijke structuur, over de temporele structuur, over de kleur. En als je met al deze eigenschappen tegelijk kunt rekenen, ontgrendelt dat een enorme hoeveelheid verwerkingskracht."

De onderzoekers lieten ook zien hoe hun programmeerbare optische circuits kunnen worden gebruikt om kwantumverstrengeling te manipuleren, een fenomeen waarbij twee of meer kwantumdeeltjes – zoals fotonen van licht – verbonden blijven, zelfs als ze over grote afstanden van elkaar gescheiden zijn. Verstrengeling speelt een belangrijke rol in veel kwantumtechnologieën, zoals het corrigeren van fouten in een kwantumcomputer en het mogelijk maken van de veiligste vormen van kwantumversleuteling.

Professor Malik en zijn onderzoeksteam in het Beyond Binary Quantum Information Lab van de Heriot-Watt Universiteit voerden het onderzoek uit met partneracademici van onder meer de Lund Universiteit in Zweden, de Sapienza Universiteit van Rome in Italië en de Universiteit Twente in Nederland.

Meer informatie: Invers ontwerp van hoogdimensionale kwantumoptische circuits in een complex medium, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02319-6. www.nature.com/articles/s41567-023-02319-6

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Heriot-Watt Universiteit