Ingenieurs van het California Institute of Technology hebben aangetoond dat atomen in de holtes van optische holtes een van de belangrijkste technologieën kunnen worden voor het functioneren van het kwantuminternet. De onderzoekers publiceerden hun werk in het tijdschrift Nature.
Kwantumnetwerken zullen kwantumcomputers met elkaar verbinden via een speciaal systeem dat een verbinding tussen hen tot stand brengt. In theorie zullen kwantumcomputers op een dag bepaalde functies sneller kunnen uitvoeren dan klassieke computersystemen, waarbij ze eigenschappen van de kwantummechanica gebruiken, zoals superpositie van toestanden, waardoor kwantumbits zowel nul als één tegelijk kunnen zijn.
Net als bij klassieke computers willen wetenschappers meerdere kwantumcomputers met elkaar verbinden om gegevens uit te wisselen en samen te werken - om een soort 'kwantuminternet' te creëren. Dit zou de deur openen naar een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder gedistribueerde kwantumcomputers en gecodeerde communicatie. Een dergelijk netwerk moet echter in staat zijn om informatie tussen twee apparaten uit te wisselen zonder de kwantumeigenschappen van de verzonden informatie te veranderen.
Het huidige model werkt als volgt: één atoom of ion werkt als een qubit en slaat informatie op over zijn kwantumeigenschap, zoals spin. Om deze informatie te lezen en over te brengen naar een andere plaats, moet het atoom worden geëxciteerd met een lichtpuls, waardoor het een foton uitzendt waarvan de spin verstrengeld is met de spin van het atoom en daaraan gelijk is. Het foton kan dan informatie die bij het atoom hoort, over een lange afstand over een optische vezelkabel verzenden. Maar het is moeilijker dan het klinkt. De meeste atomen zijn gevoelig voor fluctuaties in magnetische en elektrische velden, wat leidt tot fouten in de werking van daarop gebaseerde apparaten.
Om dit probleem op te lossen, bouwden de Caltech-onderzoekers een nanofotonische resonator - een staaf van ongeveer 10 micron lang met een speciaal patroon op het oppervlak geëtst, gemaakt van een yttriumorthovanadaatkristal. Vervolgens plaatsten de wetenschappers een ion van het zeldzame aardmetaal ytterbium Yb 3+ in het midden. Wanneer straling door een dergelijke resonator wordt doorgelaten, passeert deze meerdere keren langs de staaf en wordt uiteindelijk, na voldoende energie verloren, geabsorbeerd door het ytterbiumion. De auteurs toonden ook aan dat holtes in het materiaal de omgeving van het ion veranderen, zodat het uitgezonden foton tot 99% van de tijd in het materiaal kan blijven en wetenschappers in de tussentijd de eigenschappen ervan kunnen meten.
Bovendien kunnen ytterbiumionen informatie gedurende 30 milliseconden in hun rug opslaan. Dit is voldoende om informatie over de continentale Verenigde Staten te verzenden. Het team is momenteel gefocust op het creëren van de bouwstenen van een kwantumnetwerk. Ze hopen dan hun experimenten uit te breiden en de twee kwantumbits ver uit elkaar te verbinden.
Auteur: Nikita Shevtsev
