Het onderling verbinden van verschillende quantumsystemen is belangrijk voor quantumcomputerarchitecturen voor de toekomst, maar dat bleek moeilijk te realiseren. Wetenschappers van de TU Delft, FOM en de Universiteit van Wenen hebben nu de eerste stap gezet voor een universele quantumverbinding op basis van quantummechanische vibraties van een nanomechanisch apparaatje.
Quantumfysica wordt steeds vaker de wetenschappelijke basis voor een groot aantal nieuwe technologieën. Deze nieuwe quantumtechnologieën zullen de manier waarop we communiceren fundamenteel doen veranderen en de prestaties van sensors en onze krachtigste computers radicaal verbeteren. Een van de uitdagingen die nog overwonnen moet worden voordat er praktische toepassingen kunnen komen, is het vinden van een manier om verschillende quantumtechnologieën met elkaar te laten communiceren. Op het moment sluiten verschillende quantumapparaatjes meestal niet op elkaar aan, waardoor deze opkomende technologieën niet aan elkaar gekoppeld of op elkaar afgestemd kunnen worden. Een van de oplossingen die door wetenschappers geopperd wordt, is het bouwen van mechanische objecten op nanoschaal die heen en weer trillen, net zoals een trillend mini-stemvorkje. Deze ‘nanomechanische apparaatjes’ kunnen zo gebouwd worden dat hun trillingen als intermediair kunnen optreden tussen quantumsystemen die voor de rest totaal verschillend zijn. Zo kunnen mechanische apparaatjes die hun mechanische trillingen omzetten in licht zichzelf (en andere apparaatjes) aansluiten op de mondiale optische vezelnetwerken die het internet vormen. Een van de openstaande vraagstukken in de quantumfysica was het bouwen van een nanomechanisch apparaat waarmee quantummechanische trillingen omgezet kunnen worden naar licht op quantumniveau, zodat quantumapparaten aangesloten kunnen worden op een toekomstig quantuminternet.
Nanomechanisch
Wetenschappers onder leiding van prof. Simon Gröblacher aan de TU Delft en prof. Markus Aspelmeyer aan de Universiteit van Wenen hebben nu precies zo’n nanomechanisch apparaatje gemaakt. Het zet individuele lichtdeeltjes, fotonen geheten, om in quantummechanische trillingen, die fononen genoemd worden en vice versa. Normaal gesproken is de kans op het eerst omzetten van een foton in een fonon veel te klein om van enig nut te kunnen zijn. Maar dit gezamenlijk team past een truc toe: telkens als hun nanomechanische apparaat eerst een foton in een fonon omzette, maakte hun apparaatje een ‘signaleringsfoton’. Door eerst uit te kijken naar deze signaleringsfoton wisten de onderzoekers precies wanneer hun nanomechanische apparaat erin geslaagd was de omzetting tot stand te brengen – het had licht omgezet in quantummechanische trillingen van hun apparaatje. Vervolgens lieten de onderzoekers het apparaatje met behulp van lasers de fonon weer omzetten in licht en een foton uitzenden. Door tenslotte zorgvuldig de signaleringsfotonen en de uitgezonden fotonen te tellen toonden de onderzoekers aan dat het hele omzettingsproces op quantumniveau plaats vond – één deeltje per keer.
Productie TU Delft
Het nanomechanische apparaatje zelf is een minuscuul siliciumbalkje, slechts een halve micrometer breed, met een regelmatig gaatjespatroon dat licht en mechanische vibraties op dezelfde plek vangt en vasthoudt. Dit nanobalkje trilt miljarden keren per seconde heen en weer. Het is bij TU Delft door het team van Gröblacher op een siliciumchip gemaakt en maakt gebruik van infrarode lichtgolflengtes, net zoals de industriële standaard voor optische vezelnetwerken, geïntegreerde elektronica en de nieuwste fotonische circuits.