De basis van de huidige communicatietechnologie bestaat uit licht- en geluidsgolven. Terwijl geluidsgolven op nanoschaal op halfgeleiders signalen op gigahertz-frequenties verwerken voor draadloze transmissie, creëren glasvezels met laserlicht het World Wide Web.
Een van de meest prangende vragen voor de toekomst is hoe deze technologieën kunnen worden uitgebreid naar kwantumsystemen om veilige (d.w.z. afluistervrije) systemen op te bouwen. kwantumcommunicatie netwerken.
Lichtkwanta of fotonen spelen een zeer centrale rol bij de ontwikkeling van kwantumtechnologieën.
Een team van Duitse en Spaanse wetenschappers uit Valencia, Münster, Augsburg, Berlijn en München heeft met succes individuele lichtkwanta met een extreem hoge mate van precisie gecontroleerd. Hun onderzoek maakt gebruik van een geluidsgolf om van individu te wisselen fotonen op een chip tussen twee uitgangen op gigahertz-frequenties.
Dit is de eerste keer dat wetenschappers een nieuwe methode hebben gedemonstreerd die kan worden gebruikt voor akoestische kwantumtechnologieën of complexe geïntegreerde fotonische netwerken.
Natuurkundige prof. Hubert Krenner, die het onderzoek leidt Münster en Augsburg, zei: “Ons team is er nu in geslaagd om individuele fotonen op een chip ter grootte van een miniatuur te genereren en deze vervolgens met ongekende precisie te besturen, nauwkeurig geklokt door middel van geluidsgolven. '
Dr. Mauricio de Lima, die onderzoek doet aan de Universiteit van Valencia en het werk dat daar wordt gedaan coördineert, voegt hieraan toe: “Het werkingsprincipe van onze chip was bij ons bekend met conventioneel laserlicht, maar nu zijn we er met behulp van lichtkwanta in geslaagd de langverwachte doorbraak te realiseren richting kwantumtechnologieën. '
In het onderzoek vervaardigden wetenschappers een chip met minuscule ‘geleidende paden’ voor lichtkwanta – zogenaamde golfgeleiders. Deze zijn ongeveer 30 keer dunner dan menselijk haar. De chip bevat ook zogenaamde quantumlichtbronnen quantum dots.
Dr. Matthias Weiß van de Universiteit van Münster voerde de optische experimenten uit en voegde eraan toe: “Deze kwantumdots, slechts een paar nanometer groot, zijn eilanden in de golfgeleiders die straling uitzenden licht als individuele fotonen. De quantum dots zitten in onze chip, waardoor we geen ingewikkelde methoden hoeven te gebruiken om via een andere bron individuele fotonen te genereren.”
Dr. Dominik Bühler, die de kwantumchips ontwierp als onderdeel van zijn Ph.D. aan de Universiteit van Valencia, wijst erop hoe snel de technologie is: “Door geluidsgolven op nanoschaal te gebruiken, kunnen we de fotonen op de chip direct met een ongekende snelheid heen en weer schakelen tussen twee outputs tijdens hun voortplanting in de golfgeleiders.”
Dr. Mauricio de Lima zei met het oog op de toekomst: “We werken al hard aan het verbeteren van onze chip, zodat we de kwantumtoestand van de fotonen naar wens kunnen programmeren of zelfs meerdere fotonen met verschillende kleuren kunnen besturen tussen vier of meer uitgangen.”
Prof. Hubert Krenner voegt, “We profiteren hier van een unieke kracht die onze geluidsgolven op nanoschaal hebben: omdat deze golven zich vrijwel verliesvrij voortplanten op het oppervlak van de chip, kunnen we met slechts één enkele golf bijna net zoveel golfgeleiders aansturen als we willen – en dat tot een extreem hoog niveau. hoge nauwkeurigheid.”
Tijdschriftreferenties:
- Dominik D. Bühler, Matthias Weiß, Antonio Crespo-Poveda, Emeline D. S. Nysten, Jonathan J. Finley, Kai Müller, Paulo V. Santos, Mauricio M. de Lima Jr., H. J. Krenner (2022): On-chip generatie en dynamisch piëzo-optomechanische rotatie van enkele fotonen. Natuurcommunicatie 13, DOI: 10.1038/s41467-022-34372-9
