De stroom van kwantumtechnologie vinden

We hebben elke dag te maken met bits en bytes, of dat nu is door een sms te sturen of een e-mail te ontvangen.

Er zijn ook kwantumbits, of qubits, die kritieke verschillen vertonen met gewone bits en bytes. Deze fotonen – lichtdeeltjes – kunnen kwantuminformatie bevatten en bieden uitzonderlijke mogelijkheden die op geen enkele andere manier kunnen worden bereikt. In tegenstelling tot binair computergebruik, waar bits alleen een 0 of 1 kunnen vertegenwoordigen, bestaat qubit-gedrag in het domein 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 huidige computers.

“Leren over de mogelijkheden van qubits is een drijvende kracht geweest voor het opkomende veld van kwantumtechnologieën, waardoor nieuwe en onontdekte toepassingen zoals kwantumcommunicatie, computers en detectie mogelijk zijn”, zegt Hong Koo Kim, hoogleraar Electrical and Computer Engineering aan de Universiteit van 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 over grote afstanden “communiceren” als een enkel systeem. Kim en zijn afgestudeerde student, Yu Shi, deden een ontdekking die de kwantumtechnologie kan helpen een grote sprong voorwaarts te maken.

Het begint met een enkel foton

Op fotonen gebaseerde kwantumtechnologieën zijn afhankelijk van enkele fotonenbronnen die individuele fotonen kunnen uitzenden.

Deze enkele fotonen kunnen worden gegenereerd uit halfgeleiders op nanometerschaal, beter bekend als kwantumstippen. Vergelijkbaar met hoe microgolfantennes signalen van mobiele telefoons uitzenden, werkt een quantum dot als een antenne die licht uitstraalt.

“Door een grondige analyse uit te voeren, ontdekten we dat een kwantumdot-emitter – of een dipoolantenne op nanometerschaal – een grote hoeveelheid energie vasthoudt”, legt Kim uit. “De werking van een dipoolzender aan de buitenkant is goed begrepen, maar dit is echt de eerste keer dat een dipool aan de binnenkant is bestudeerd.”

Fotonen van die kwantumdots komen naar buiten met handigheid, zoals wij een rechtshandige of linkshandige persoon zijn, en kwantuminformatie wordt gedragen door deze handigheid van individuele fotonen. Als zodanig is het sorteren ervan naar verschillende paden een belangrijke taak voor de verwerking van kwantuminformatie. Het team van Kim 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 enkelvoudige fotonenbronnen, een cruciaal onderdeel dat nodig is in kwantumfotonica, ” zei Kim.

Het artikel, “Spintextuur en chirale koppeling van circulair gepolariseerd dipoolveld”, wordt gepubliceerd in het tijdschrift, Nanofotonica.