Volgende stap naar quantumnetwerk op basis van micromechanische balkjes

Nieuws - 25 april 2018 - Communication TNW

De afgelopen jaren zijn nanogefabriceerde mechanische oscillatoren naar voren gekomen als veelbelovend platform voor toepassingen van quantuminformatie. Wanneer quantumverstrengeling van geconstrueerde optomechanische resonatoren gerealiseerd zou kunnen worden, zou dit een sleutel tot schaalbare quantumnetwerken kunnen zijn. Onderzoekers van de TU Delft en de Universiteit van Wenen hebben deze verstrengeling inmiddels waargenomen en rapporteren hun bevindingen in Nature van deze week.

Trillingen gedragen zich als golven, maar volgens de quantummechanica bestaat deze beweging ook uit piepkleine discrete energiepakketjes, de zogenaamde fononen. In september 2017 demonstreerde het team van onderzoekers van de TU Delft en de Universiteit van Wenen met behulp van laserpulsen al een nieuw niveau van quantumbesturing over deze trillingen. Ze creëerden individuele fononexcitaties en bevestigden daarmee het fundamentele deeltjeskarakter van de trillingen. Het maken en verifiëren van deze afzonderlijke fononen was een belangrijke stap in de richting van volledige optische quantumbesturing van mechanische beweging.

Nu hebben ze een belangrijke volgende stap gezet: ze hebben verstrengeling gecreëerd tussen twee micromechanische resonatoren met ‘telecomfotonen’ als medium. Verstrengeling is de beroemde ‘spookachtige actie op afstand’ tussen twee objecten die alleen kan worden verklaard met quantumtheorie. “Verstrengeling is cruciaal voor quantumcommunicatienetwerken”, zegt professor Simon Gröblacher van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft. “Met name belangrijk is de mogelijkheid om verstrengeling te verdelen tussen quantumgeheugens op afstand. Eerder zijn hiervoor bijvoorbeeld in holtes ingebedde atomen gebruikt, maar wij introduceren hier een geheel nanogefabriceerd halfgeleiderplatform in de vorm van op chips gebaseerde microresonatoren: kleine siliconenbalkjes die tegelijkertijd licht en trillingen insluiten. Door de besturing van afzonderlijke mechanische kwanta uit te breiden naar meerdere apparaten, laten we zien dat er verstrengeling optreedt tussen dergelijke micromechanische apparaten op twee chips op 20 cm afstand van elkaar.”

De gebruikte apparaten bestaan uit siliciumbalkjes op micrometerschaal. Ze zijn in een zodanig patroon gevormd dat trillingen kunnen worden ‘geschreven’ op laserpulsen die erdoorheen gaan, en omgekeerd. De trillende balkjes bestaan elk uit acht miljard atomen, hebben de grootte van een kleine cel en zijn daardoor goed te zien met een vergrootglas of microscoop. “Nanogefabriceerde optomechanische apparaten vormen een veelbelovend platform voor geïntegreerde quantuminformatieverwerking met fononen, omdat de parameters van het systeem, zoals de golflengte voor optische conversie en de quantumgeheugentijd, bij het ontwerp naar wens kunnen worden aangepast. Zo kozen we bij het apparaat bewust voor een optische golflengte in de telecommunicatiebandbreedte, die meestal wordt gebruikt bij de distributie van breedbandinternet. Daarmee tonen we aan dat quantumnetwerken kunnen worden geconstrueerd met behulp van alleen conventionele glasvezel in combinatie met onze apparaten”, zegt dr. Sungkun Hong van de Universiteit van Wenen. Een ander belangrijk voordeel is dat de apparaten in deze netwerken samen met andere halfgeleiderquantumsystemen op een chip kunnen worden geïntegreerd. De auteurs verwachten bijvoorbeeld dat hun apparaten kunnen worden gecombineerd met supergeleidende quantumschakelingen en kunnen worden gebruikt als ‘quantum-ethernetpoorten’ die quantuminformatie tussen de schakelingen en de optische signalen overbrengen.

“De volgende stap is de bouw van een netwerk dat uit meer balkjes bestaat en dat werkt op een afstand van honderden meters, misschien zelfs enkele kilometers. Zo zouden we dichter bij de verwezenlijking van een systeem komen dat kan worden gebruikt voor echte quantumtoepassingen”, zegt professor Gröblacher. “We zien geen fundamentele obstakels om deze stappen de komende paar jaar te kunnen zetten.”

Referentie

Ralf Riedinger*, Andreas Wallucks*, Igor Marinković*, Clemens Löschnauer, Markus Aspelmeyer, Sungkun Hong en Simon Gröblacher, Remote quantum entanglement between two micromechanical oscillators, Nature 556, 473-477 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0036-z

Meer informatie
Neem voor meer wetenschappelijke informatie contact op met:

TU Delft
Professor Simon Gröblacher
Kavli Institute of Nanoscience, Technische Universiteit Delft
Lorentzweg 1, 2628 CJ Delft
T   +31 (0)15 15 278 6124
s.groeblacher@tudelft.nl

Universiteit van Wenen
Dr. Sungkun Hong
VCQ, Natuurkundefaculteit, Universiteit van Wenen
Boltzmanngasse 5, A-1090 Wenen, Oostenrijk
T +43 1 4277 72535
sungkun.hong@univie.ac.at

Afbeelding 1.

Artist’s impression van twee mechanische oscillatoren die in een verstrengelde quantumtoestand zijn gebracht door een lichtveld in een optische interferometer. De twee systemen vertonen sterkere correlaties dan de klassieke fysica kan verklaren. Dit verschijnsel wordt vaak ‘spookachtige actie op afstand’ genoemd. Deze demonstratie van verstrengeling tussen geconstrueerde systemen zou kunnen helpen om op directe wijze een quantumnetwerk te realiseren.

Door: Moritz Forsch. Kavli Institute of Nanoscience, Technische Universiteit Delft.

/* */