Chip verbindt kleine groepjes verstrengelde fotonen tot grotere kwantumstaten

Onderzoekers van Tsinghua University en het Hefei National Laboratory in China hebben een nieuwe methode ontwikkeld om grote groepen lichtdeeltjes met elkaar te verbinden via kwantumverstrengeling. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Nature Physics. De techniek draait om een supergeleider: een materiaal dat elektrische stroom geleidt zonder weerstand bij extreem lage temperaturen. Daarmee bouwden de onderzoekers een chip die microgolffotonen genereert en ze vervolgens met elkaar verknoopt.

Waarom fotonen aan elkaar knopen?

In een kwantumcomputer wordt informatie opgeslagen in qubits, de kwantumversie van een bit. Door qubits te laten verstrengelen ontstaat een gedeelde toestand waarin de eigenschappen van de deeltjes niet meer los van elkaar te beschrijven zijn: wat je met het ene deeltje doet, heeft meteen gevolgen voor het andere. Grote groepen verstrengelde deeltjes vormen zogeheten graaftoestanden, waarin de verbindingen tussen de deeltjes te vergelijken zijn met een netwerk van knopen en lijnen. Zulke netwerken zijn een belangrijke bouwsteen voor toekomstige kwantumcomputers en voor een kwantuminternet, een netwerk waarin verstrengelde deeltjes informatie tussen locaties kunnen uitwisselen.

Het probleem is dat je niet zomaar in één keer een grote verstrengelde groep deeltjes kunt maken. Onderzoekers gebruiken daarom vaak 'fusie': kleinere groepjes verstrengelde deeltjes worden achteraf aan elkaar gekoppeld tot een groter geheel. Bij de gangbare aanpak, met spiegels en lichtstraaldelers, lukt die koppeling echter maar af en toe. Mislukte pogingen moeten worden weggegooid, waardoor het steeds meer moeite en materiaal kost om grotere netwerken te bouwen.

Een meting die niets vernietigt

Het Chinese team loste dit op met een zogeheten kwantum-niet-destructieve meting. Hierbij wordt gekeken naar een eigenschap van een paar fotonen, een zogeheten pariteitsmeting, zonder de fotonen zelf te vernietigen. Die meting zorgt ervoor dat twee kleinere groepjes verstrengelde fotonen alsnog met elkaar verbonden raken, zonder dat het een kansspel is. Door de frequentie van de microgolffotonen te veranderen, konden de onderzoekers precies kiezen welke fotonen ze met elkaar verbonden. Met deze aanpak toonden ze verstrengeling aan tussen 13 fotonen tegelijk, waarbij alle deeltjes onderling met elkaar verbonden waren in plaats van in losse kleinere groepjes.

Volgens hoofdonderzoeker Hongyi Zhang is het belangrijkste resultaat dat de fusie nu betrouwbaar, programmeerbaar en niet-destructief is. Dat opent perspectief op schaalbare systemen waarin steeds grotere netwerken van verstrengelde fotonen worden opgebouwd uit kleinere bouwblokken. De onderzoekers willen de komende jaren de kwaliteit van hun chip, de efficiëntie van de fotonproductie en de prestaties van de detector verbeteren. Ook werken ze aan opstellingen met meerdere detectoren, die nog grotere en complexere netwerken van verstrengelde fotonen moeten kunnen maken voor kwantumcommunicatie en kwantumcomputers.