Identieke lichtdeeltjes (fotonen) zijn belangrijk voor veel technologieën die gebaseerd zijn op de kwantumfysica. Een team van onderzoekers uit Bazel en Bochum heeft nu identieke fotonen geproduceerd met verschillende kwantumdots - een belangrijke stap in de richting van toepassingen zoals tap-proof communicatie en het kwantuminternet.

Veel technologieën die gebruik maken van kwantumeffecten zijn gebaseerd op exact gelijke fotonen. Het produceren van dergelijke fotonen is echter buitengewoon moeilijk. Ze moeten niet alleen precies dezelfde golflengte (kleur) hebben, maar ook hun vorm en polarisatie moeten overeenkomen.

Een team van onderzoekers onder leiding van Richard Warburton van de Universiteit van Basel, in samenwerking met collega's van de Universiteit van Bochum, is er nu in geslaagd identieke fotonen te creëren die afkomstig zijn van verschillende en wijd gescheiden bronnen.

Enkele fotonen van kwantumstippen

De natuurkundigen gebruikten in hun experimenten zogenaamde quantum dots, structuren in halfgeleiders van slechts enkele nanometers groot. In de kwantumstippen zitten elektronen zo opgesloten dat ze alleen zeer specifieke energieniveaus kunnen aannemen. Licht wordt uitgestraald bij het maken van een overgang van het ene niveau naar het andere. Met behulp van een laserpuls die zo'n overgang in gang zet, kunnen zo met een druk op de knop losse fotonen worden gecreëerd.

"In de afgelopen jaren hebben andere onderzoekers al identieke fotonen met verschillende kwantumstippen gemaakt", legt Lian Zhai uit, een postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur van de studie die onlangs werd gepubliceerd in Nature Nanotechnology . "Om dit te doen, moesten ze echter uit een enorm aantal fotonen degene kiezen die het meest op elkaar leken met behulp van optische filters." Op die manier bleven er maar heel weinig bruikbare fotonen over.

Warburton en zijn medewerkers kozen voor een andere, meer ambitieuze aanpak. Eerst produceerden de specialisten in Bochum extreem zuiver galliumarsenide waarvan de quantum dots werden gemaakt. Zo konden de natuurlijke variaties tussen verschillende quantum dots tot een minimum worden beperkt. De natuurkundigen in Bazel gebruikten vervolgens elektroden om twee kwantumstippen bloot te stellen aan nauwkeurig afgestemde elektrische velden. Die velden veranderden de energieniveaus van de quantum dots, en ze werden zo aangepast dat de fotonen die door de quantum dots worden uitgezonden precies dezelfde golflengte hadden.

93% identiek

Om aan te tonen dat de fotonen eigenlijk niet van elkaar te onderscheiden waren, stuurden de onderzoekers ze op een halfverzilverde spiegel. They observed that, almost every time, the light particles either passed through the mirror as a pair or else were reflected as a pair. From that observation they could conclude that the photons were 93% identical. In other words, the photons formed twins even though they were "born" completely independently of one another.

Moreover, the researchers were able to realize an important building block of quantum computers, a so-called controlled NOT gate (or CNOT gate). Such gates can be used to implement quantum algorithms that can solve certain problems much faster than classical computers.

"Right now our yield of identical photons is still around one percent," Ph.D. student Gian Nguyen concedes. Together with his colleague Clemens Spindler he was involved in running the experiment. "We already have a rather good idea, however, how to increase that yield in the future." That would make the twin-photon method ready for potential applications in different quantum technologies. + Verder verkennen

Researchers develop ideal single-photon source