We hebben elke dag interactie met bits en bytes, of dat nu is door het verzenden van een sms-bericht of het ontvangen van een e-mail.

Er zijn ook kwantumbits, of qubits, die kritische verschillen vertonen met gewone bits en bytes. Deze fotonen (lichtdeeltjes) kunnen kwantuminformatie overbrengen en uitzonderlijke mogelijkheden bieden die op geen enkele andere manier kunnen worden bereikt. In tegenstelling tot binair computergebruik, waarbij bits alleen een 0 of 1 kunnen vertegenwoordigen, bestaat qubit-gedrag op het gebied van de kwantummechanica. Door 'superpositionering' kan een qubit een 0, een 1 of een willekeurige verhouding daartussen vertegenwoordigen. Dit verhoogt de verwerkingssnelheid van een kwantumcomputer enorm in vergelijking met de computers van vandaag.

"Het leren kennen van de mogelijkheden van qubits is een drijvende kracht geweest voor het opkomende gebied van kwantumtechnologieën, waardoor nieuwe en onontgonnen toepassingen zoals kwantumcommunicatie, computers en detectie mogelijk zijn geworden", zegt Hong Koo Kim, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Universiteit van New York. Pittsburgh Swanson School of Engineering.

Kwantumtechnologieën zijn belangrijk voor een aantal gebieden, zoals voor banken die financiële informatie beschermen of onderzoekers de snelheid bieden die nodig is om alle aspecten van de chemie na te bootsen. En door kwantumverstrengeling kunnen qubits als één systeem over grote afstanden ‘communiceren’. Kim en zijn afgestudeerde student Yu Shi hebben een ontdekking gedaan die de kwantumtechnologie mogelijk een grote sprong voorwaarts kan maken.

Het begint met een enkel foton

Op fotonen gebaseerde kwantumtechnologieën zijn afhankelijk van bronnen van afzonderlijke fotonen die individuele fotonen kunnen uitzenden.

Deze afzonderlijke fotonen kunnen worden gegenereerd uit halfgeleiders op nanometerschaal, beter bekend als kwantumdots. Net zoals microgolfantennes signalen van mobiele telefoons uitzenden, fungeert een kwantumdot als een antenne die licht uitstraalt.

"Door rigoureuze analyses uit te voeren, ontdekten we dat een quantum dot-emitter (of een dipoolantenne op nanometerschaal) een grote hoeveelheid energie opvangt", legt Kim uit. "De werking van een dipoolzender aan de buitenkant is goed bekend, maar dit is echt de eerste keer dat een dipool aan de binnenkant is bestudeerd."

Fotonen uit die kwantumdots komen met handigheid naar buiten, net als wij rechtshandig of linkshandig zijn, en kwantuminformatie wordt gedragen door deze handigheid van individuele fotonen. Als zodanig is het sorteren ervan via verschillende routes een belangrijke taak voor de verwerking van kwantuminformatie. Kim's team heeft een nieuwe manier ontwikkeld om fotonen met verschillende handen te scheiden en ze efficiënt te oogsten voor verdere verwerking.

"De bevindingen van dit werk zullen naar verwachting bijdragen aan de ontwikkeling van snelle bronnen van afzonderlijke fotonen, een cruciaal onderdeel dat nodig is in de kwantumfotonica", aldus Kim.

Het artikel 'Spin texture and chiral clutch of circularly polarized dipol field' is gepubliceerd in het tijdschrift Nanophotonics .

Meer informatie: Yu Shi et al, Spintextuur en chirale koppeling van circulair gepolariseerd dipoolveld, Nanofotonica (2023). DOI:10.1515/nanoph-2022-0581

Aangeboden door Universiteit van Pittsburgh