TU Delft-onderzoekers teleporteren quantuminformatie van licht naar micro-mechanische beweging

Quantumtechnologie is gebaseerd op qubits (quantum bits) die meestal bestaan uit afzonderlijke elektronen, fotonen of atomen. Een groep TU Delft onderzoekers is er nu in geslaagd om een quantumtoestand te teleporteren van een enkel foton naar een optomechanisch systeem, dat uit miljarden atomen bestaat. Hun baanbrekende onderzoek, in Nature Photonics gepubliceerd, maakt toepassingen mogelijk zoals repeater knooppunten voor het quantum internet. Daarnaast maakt het nieuwe manieren mogelijk om de fundamenten van de quantummechanica te onderzoeken.

Quantum-optomechanica
De quantum-optomechanica gebruikt optische middelen voor het manipuleren van mechanische beweging in het quantum regime. Tien jaar geleden zijn de eerste quantummechanische effecten in micro-mechanische systemen aangetoond. Gericht onderzoek heeft sindsdien geleid tot het aantonen van verstrengeling tussen dergelijke systemen en het gebruik ervan als een quantumgeheugen. En nu is de groep van Simon Gröblacher, van het Kavli Institute of Nanoscience en de afdeling Quantum Nanoscience van de TU Delft, in samenwerking met onderzoekers van de Staatsuniversiteit van Campinas in Brazilië, er voor het eerst in geslaagd om een willekeurige quantumtoestand van een optische qubit naar een micro-mechanisch quantumgeheugen te teleporteren.

Repeater knooppunten voor het quantum internet
Quantumteleportatie – de getrouwe overdracht van een onbekende quantumtoestand naar een ander quantumsysteem – is een essentieel onderdeel van de lange afstandscommunicatieprotocollen waarop het toekomstige quantum internet zal draaien. Net als bij het gewone internet zal communicatie tussen twee quantumapparaten waar dan ook ter wereld plaatsvinden over een netwerk van repeater knooppunten. Elk knooppunt zal de quantuminformatie tijdelijk opslaan in een geheugen, voordat teleportatie naar een volgend knooppunt plaatsvindt om zo uiteindelijk een quantumconnectie over grote afstand te verwezenlijken.

Twee micro-mechanische oscillatoren delen een quantumtoestand
Voor hun experimenten codeerden de onderzoekers in de polarisatie van een enkel foton een willekeurige qubit toestand. Na transport over tientallen meters glasvezelkabel teleporteerden ze de quantumtoestand op hun quantumgeheugen dat bestond uit twee silicium oscillatoren – elk zo’n 10 micrometer lang en opgebouwd uit tientallen miljarden atomen. De quantumtoestand werd hierbij opgeslagen in de gedeelde excitatietoestand van deze oscillatoren. De onderzoekers testten de betrouwbaarheid van het proces door aan te tonen dat ze de geteleporteerde quantumtoestand weer uit het geheugen konden uitlezen. 

Telecommunicatie golflengtes
Quantumteleportatie is niet nieuw en al met verschillende quantumsystemen aangetoond. De doorbraak van het huidige onderzoek is dat de optomechanische systemen zo kunnen worden ontworpen dat ze bij een willekeurige optische golflengte kunnen opereren, waaronder de telecommunicatie golflengtes. ‘Dit is de golflengte waarbij het signaalverlies in glasvezel het laagst is en waarmee de repeater knooppunten dus het verst uit elkaar kunnen staan,’ zegt Gröblacher. ‘Deze mijlpaal was mogelijk door de kwaliteit en flexibiliteit van de door ons geproduceerde optomechanische systemen waarmee we, in tegenstelling tot andere quantumsystemen, de optische eigenschappen tijdens het ontwerp voor het uitkiezen hebben. Een toekomstig quantum internet zal ongetwijfeld gebruik maken van het bestaande telecommunicatienetwerk en de daarbij behorende golflengtes.’

Alle bouwstenen
Quantumteleportatie kan in principe over elke afstand plaatsvinden. Met het teleporteren van de quantumtoestand van een foton over tientallen meters glasvezel hebben de onderzoekers voldaan aan de vereisten van een volledig functioneel optomechanisch quantum repeater knooppunt. Gröblacher: ‘Het is nu zaak de prestaties van het systeem verder te optimaliseren, zodat het ook buiten het laboratorium kan worden toegepast. Denk hierbij aan de herhalingsfrequenties, de betrouwbaarheid en de succespercentages van teleportatie en opslag van het qubit.’ Volgens Thiago Alegre, mede-onderzoeker aan de Staatsuniversiteit van Campinas, is een mogelijke invalshoek hierbij om het optomechanische systeem zo te ontwerpen dat het ongevoeliger is voor ongewilde optische absorptie. ‘Dankzij de flexibiliteit in de fabricage van onze nano-instrumenten is dit zeker mogelijk.’

Een hybride visie
Het huidige onderzoek is een grote stap in de richting van Gröblacher’s visie van een toekomstig hybride quantum internet. ‘We voorzien een heterogeen netwerk waarbij verschillende fysieke systemen taken uitvoeren en met elkaar communiceren,’ zegt hij. ‘Bijvoorbeeld optomechanische quantum repeater knooppunten die verbonden zijn met een quantumcomputer of quantumgeheugen bestaande uit supergeleidende qubits of spin-qubits. Om met hoge betrouwbaarheid quantuminformatie uit te wisselen zullen al deze systemen compatibel moeten zijn en op dezelfde golflengte opereren.’

Transitie van quantum naar klassiek
Behalve dat het nieuwe quantumtechnologie mogelijk maakt, kan het teleporteren van een willekeurige quantumtoestand naar micro-mechanische oscillatoren ook een rol spelen bij het op een fundamenteel niveau testen van de quantummechanica zelf. Terwijl zeer kleine systemen zich gedragen volgens de wetten van de quantummechanica, houden grote systemen zich aan de klassieke natuurkundige wetten. ‘Met experimenten is aangetoond dat bepaalde theorieën de overgang van quantumgedrag naar klassiek gedrag niet goed beschrijven, maar een sluitende theorie is nog ver weg,’ zegt Gröblacher. ‘We kunnen de omvang van onze systemen eenvoudig aanpassen en er interessante quantumtoestanden naar teleporteren. Dit zou wel eens een belangrijke stap kunnen zijn in het vergroten van ons begrip van deze overgang.’

Foto door Umberto op Unsplash

Voor meer informatie, neem contact op met: