Onzuiverheden maken kwantumcommunicatie door glasvezel mogelijk

In internationaal team van onderzoekers, onder leiding van natuurkundigen uit het Zernike Institute for Advanced Materials van de RUG, heeft een manier gevonden om kwantum bits te maken die fotonen uitzenden met een golflengte die bijna geschikt is voor standaard glasvezels. Deze qubits zijn gemaakt van siliciumcarbide waarin onzuiverheden van molybdeen disulfide een kleurencentrum vormen. De resultaten zijn gepubliceerd in njp Quantum Information op 1 oktober.

Dankzij eigenschappen als superpositie en verstrengeling beloven kwantumcomputers superieure rekenkracht en kwantumcommunicatie de belofte van onbreekbare cryptografie. Onderzoekers zijn er al in geslaagd deze kwantumfenomenen te transporteren door glasvezel, maar dat gebeurde op golflengten die niet geschikt zijn voor de standaard glasvezels die wereldwijd het telecommunicatienetwerk vormen.

Natuurkundigen van de RUG hebben, samen met collega’s van de universiteit van Linköping en het halfgeleiderbedrijf Norstel AB, allebei in Zweden, nu een artikel gepubliceerd over de constructie van qubits die informatie uitzenden op een golflengte van 1100 nanometer. Het lijkt aannemelijk dat dit nog is aan te passen naar golflengten die nu in gebruik zijn voor het verzenden van data, rond 1300 of 1500 nanometer.

Het onderzoek begon met onzuiverheden in kristallen van siliciumcarbide, legt promovendus Tom Bosma uit. Hij is de eerste auteur van het artikel. ‘Siliciumcarbide is een halfgeleider en veel onderzoek was er op gericht de kristallen zo zuiver mogelijk te krijgen. Dat leverde een hele catalogus op van onzuiverheden en de afwijkingen die ze veroorzaken.’ Maar het was Bosma en zijn collega’s nu juist te doen om die onzuiverheden: ze vormen zogeheten kleurencentra in het kristal, die reageren op licht van specifieke golflengten.

Wanneer je lasers gebruikt om licht met precies de juiste energie te schijnen op zo’n kleurencentrum van molybdeen disulfide in een siliciumcarbide kristal, krijgen elektronen in de buitenste schil van de molybdeen atomen een ‘schop’ die ze naar een hoger energieniveau stuurt. Wanneer de elektronen terugvallen naar hun grondtoestand zenden ze de overtollige energie weer uit in de vorm van een foton. ‘Voor onzuiverheden van molybdeen zijn dat infrarode fotonen, met een golflengte in de buurt van die voor datacommunicatie’, legt Bosma uit.

Met dit materiaal zijn vervolgens qubits gemaakt, vertelt Carmem Gilardoni, eveneens promovendus aan de RUG en degene die veel van het theoretische werk voor het artikel deed. ‘We gebruikten ene techniek die coherent population trapping heet om superpositie te krijgen in de kleurencentra.’ Dat deden de onderzoekers met de zogeheten ‘spin’ van de elektronen. Dit is een kwantummechanisch fenomeen dat elektronen een magnetisch moment geeft, dat naar boven of naar beneden kan wijzen. Daarmee ontstaat een qubit waarin de twee verschillende spintoestanden staan voor 0 en 1.

Gilardoni: ‘Wanneer je een magnetisch veld aanzet, zullen de spins zich parallel of anti-parallel hieraan richten. Interessant daarbij is dat er een klein verschil is in de grondtoestand van elektronen met een spin ‘op’ of ‘neer’.’ Nadat de elektronen met laserlicht zijn aangeslagen vallen ze terug naar een van die twee grondtoestanden. De onderzoekers, die werken onder leiding van RUG-hoogleraar Physics of Quantum Devices Caspar van der Wal, gebruikten twee lasers die elk waren afgesteld om elektronen met een van beide grondtoestanden in dezelfde excitatietoestand te brengen. Op die manier ontstaat een situatie waarin het kleurencentrum een superpositie ontstaat van beide spintoestanden.

Bosma: ‘Met wat finetunen lukte het ons een qubit te maken met een lang levende superpositie die wel snel te schakelen was.’ Bovendien zond de qubit informatie over de eigen toestand uit via infrarode fotonen. Dankzij de uitgebreide catalogus van onzuiverheden die kleurencentra kunnen veroorzaken in siliciumcarbide kristallen denken de onderzoekers dat ze die golflengte nog wat kunnen verschuiven, zodat ze geschikt zijn voor standaard glasvezelkabels. Als dit inderdaad lukt en ze de superpositie nog stabieler kunnen maken – zodat die langer blijft bestaan – is het kwantum internet een heel stuk dichterbij gekomen.

Referentie: Tom Bosma, Gerrit J.J. Lof, Carmem M. Gilardoni, Olger V. Zwier, Freddie Hendriks, Björn Magnusson, Alexandre Ellison, Andreas Gällström, Ivan G. Ivanov, N.T. Son, Remco W.A. Havenith and Caspar H. van der Wal: Identification and tunable optical coherent control of transition-metal spins in silicon carbide. npj Quantum Information 1 oktober 2018 DOI: 10.1038/s41534-018-0097-8