Onderzoekers van de Stichting FOM, de TU Delft en de TU Eindhoven zijn erin geslaagd om enkele fotonen, de dragers van quantuminformatie, te bundelen tot een compacte straal. Hiermee kan quantumcommunicatie meer dan twintig keer efficiënter worden en wordt informatieoverdracht beter.
De onderzoekers plaatsten hun fotonenbron in een zelfontwikkelde nanogolfgeleider, die taps toeloopt. De fotonen bewogen hierdoor bijna allemaal langs één lijn. Met een speciale spiegel zorgden ze ervoor dat de fotonen ook dezelfde kant op bewogen.
Onlangs haalde quantumcomputeronderzoek uitgebreid het nieuws met de mogelijke ontdekking van Majorana's. Ook op het terrein van de overdracht van quantuminformatie zit progressie. Wereldwijd proberen fysici nieuwe methodes te ontwikkelen om informatie uit te wisselen tussen quantumbits, de geheugenelementen van quantumcomputers. Deze communicatie gaat via enkele fotonen (lichtdeeltjes). Hoe gerichter enkele fotonen van A naar B gestuurd kunnen worden, hoe efficiënter de informatieoverdracht.
Licht bundelen
De fotonen komen uit heel kleine kunstmatige lichtbronnen van enkele nanometers groot, de zogenaamde quantumdots. Een quantumdot zendt lichtdeeltjes uit in verschillende richtingen, zoals een peertje. Niet erg efficiënt, want er komen dan maar weinig fotonen aan op de plaats van bestemming. De oplossing is om ze in een smalle straal, een soort laserstraal, te bundelen. Dit deden de onderzoekers eerder al door de quantumdots in een nanodraad te plaatsen, maar daarmee haalden ze slechts een efficiëntie van 1 tot 2 procent.
Door de vorm van de nanodraad aan te passen is het de fysici nu gelukt om een efficiëntie van meer dan 42 procent te halen. De draad is een soort golfgeleider, met de quantumdot niet op een willekeurige positie, maar precies in het midden. Deze positie bleek essentieel. De onderzoekers bouwden de nanogolfgeleider laag voor laag: eerst de quantumdot in de kern van de draad en vervolgens steeds een ‘schil eromheen.
Spiegel
Het ontwerp van de nanogolfgeleider zorgt ervoor dat alle fotonen de zelfde kant op worden uitgezonden, langs de nanodraad. Omdat de fotonen zowel naar boven als naar beneden worden uitgezonden, hebben de onderzoekers een gouden spiegel aan de onderkant van de draad gemaakt, waardoor de naar beneden uitgezonden fotonen terug naar boven worden gereflecteerd. De taps toelopende punt van de golfgeleider is het laatste cruciale punt in het ontwerp. Deze punt zorgt ervoor dat er geen ongewenste reflecties plaatsvinden op het oppervlak tussen halfgeleider en lucht. De onderzoekers konden met deze techniek meer dan twintig keer meer fotonen bundelen dan in eerdere experimenten.
