Tweelingfotonen van verschillende kwantumstippen

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 om identieke fotonen te creëren die afkomstig zijn van verschillende en wijd gescheiden bronnen.

Enkele fotonen van kwantumstippen

In hun experimenten gebruikten de natuurkundigen zogenaamde kwantumdots, 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.

“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 Natuur Nanotechnologie. “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.” Zo 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. Ze zagen dat de lichtdeeltjes bijna altijd als paar door de spiegel gingen of als paar werden gereflecteerd. Uit die waarneming konden ze concluderen dat de fotonen voor 93% identiek waren. Met andere woorden, de fotonen vormden een tweeling, ook al werden ze volledig onafhankelijk van elkaar “geboren”.

Bovendien konden de onderzoekers een belangrijke bouwsteen van kwantumcomputers realiseren, een zogenaamde gecontroleerde NIET-poort (of CNOT-poort). Dergelijke poorten kunnen worden gebruikt om kwantumalgoritmen te implementeren die bepaalde problemen veel sneller kunnen oplossen dan klassieke computers.

“Op dit moment is onze opbrengst aan identieke fotonen nog steeds ongeveer één procent,” Ph.D. student Gian Nguyen geeft toe. Samen met zijn collega Clemens Spindler was hij betrokken bij de uitvoering van het experiment. “We hebben echter al een redelijk goed idee hoe we die opbrengst in de toekomst kunnen verhogen.” Dat zou de twin-photon-methode klaar maken voor mogelijke toepassingen in verschillende kwantumtechnologieën.