Onderzoekers geven foton een nieuwe vorm voor betere kwantumcommunicatie

Kwantumtechnologie zoals kwantumcryptografie, het kwantuminternet en de kwantumcomputer draait om één cruciale handeling: het versturen van fotonen tussen qubits. De ene qubit zendt een lichtdeeltje uit, de andere moet het opvangen. Maar die overdracht gaat vaak mis. Met de huidige methoden lukt de absorptie in het beste geval in 54 procent van de gevallen. In bijna de helft van alle pogingen gaat het foton dus verloren. Onderzoekers van de Technische Universiteit Wenen laten in het vakblad Physical Review Letters zien hoe dat probleem is op te lossen, met een verrassend eenvoudige ingreep.

Een foton is geen kogeltje

Een foton wordt vaak voorgesteld als een piepklein balletje dat wordt afgevuurd. Dat beeld klopt niet, zegt onderzoeker Zeyu Kuang. Een foton is een golf, met een bepaalde vorm en uitgestrektheid. Vergelijk het met het geluid van een luidende kerkklok: direct na de klap is het geluid het hardst, waarna het geleidelijk wegsterft. Het lichtsignaal dat een qubit uitzendt gedraagt zich hetzelfde. Aan het begin is de golf het sterkst, daarna neemt de sterkte exponentieel af, als een soort zaagtand.

Dat zaagtandpatroon reist via een golfgeleider naar de tweede qubit, die het licht moet opvangen. Het probleem: die tweede qubit kan een golf die eerst sterk begint en dan wegebt maar slecht absorberen. Wat wél goed werkt, is precies het omgekeerde patroon: een golf die langzaam opbouwt en op het eind zijn piek bereikt.

Licht vertragen om de tijd om te draaien

De sleutel zit in wat natuurkundigen tijdsomkeersymmetrie noemen: als een qubit een foton met een bepaalde vorm perfect kan uitzenden, kan diezelfde qubit in theorie ook het tijdsomgekeerde signaal perfect absorberen. De vraag was dus hoe je een lichtgolf letterlijk in de tijd kunt omkeren.

Het antwoord ligt in de golfgeleider zelf. In vacuüm reist licht altijd met dezelfde snelheid, maar in een optische golfgeleider kunnen verschillende frequenties van een lichtgolf verschillend snel reizen. Dat verband heet de dispersierelatie. Door deze dispersierelatie heel precies te ontwerpen, kunnen de onderzoekers ervoor zorgen dat het zaagtandsignaal onderweg vanzelf omdraait in het gewenste oplopende patroon.

Op papier honderd procent absorptie

Volgens berekeningen en computersimulaties van het team, onder leiding van hoogleraar Stefan Rotter en Carlos Gonzalez-Ballestero, zorgt deze aanpak in theorie voor een absorptiekans van honderd procent. Belangrijk is dat het om een passieve oplossing gaat: er is geen extra sturing of energie nodig, alleen een slim ontworpen golfgeleider tussen de twee qubits. De onderzoekers zeggen dat de benodigde opstelling technisch haalbaar zou moeten zijn. Als de methode in de praktijk werkt, kan dat de betrouwbaarheid van kwantumnetwerken, kwantumcryptografie en toekomstige kwantumcomputers flink verbeteren.