Het versturen van quantuminformatie is al mogelijk, maar tot nog toe zijn er speciale kabels en verbindingen voor nodig. Een nieuwe ontwikkeling van onder ander de Rijksuniversiteit Groningen maakt het versturen van quantuminformatie ook haalbaar via de glasvezelkabels die bijna overal in de grond liggen.

Illustratie van een laser (rood) die meerdere Molybdeen-qubits (gele pijltjes) in siliciumcarbide beschijnt. Bron: Tom Bosma, University of Groningen

De quantumbits (qubits) die Groningse wetenschappers samen met Zweedse collega’s onderzochten, kunnen de informatie die ze bevatten uitzenden in de vorm van licht met een handige golflengte. De golflengte komt namelijk in de buurt bij die van het licht dat telecombedrijven momenteel gebruiken voor internetverbindingen. Quantuminformatie op die golflengte kan dus zonder al te veel problemen door de al aanwezige glasvezelkabels zoeven.

Baseer wiskundeopgaven op maatschappelijke kwesties
LEES OOK

Baseer wiskundeopgaven op maatschappelijke kwesties

Wanneer wiskunde wordt gekoppeld aan vragen die voor leerlingen relevant zijn, kan dat he ...

Superveilige quantumverbinding

Een quantumverbinding heeft allerlei voordelen. Zo zou je er toekomstige quantumcomputers mee aan elkaar kunnen koppelen. Maar er zijn ook toepassingen die binnenkort al mogelijk zijn, zoals het aanleggen van een superveilig quantuminternet. Dankzij een bijzondere quantumeigenschap, genaamd verstrengeling, kun je informatie die via zo’n internetverbinding reist niet ongemerkt afluisteren. Ideaal voor het versturen van geheime e-mails en banktransacties.

Quantuminformatie zit opgeslagen in qubits. Die zijn vergelijkbaar met de bits in een computer. Maar bits bevatten ‘klassieke’ informatie: ze zijn ‘1’ óf ‘0’. Qubits zijn daarentegen een combinatie van ‘1’ én ‘0’ en bevatten dus meer informatie.

Fijne onzuiverheden

Promovendi Tom Bosma en Carmem Gilardoni in hun lab bij de Rijksuniversiteit Groningen met de optische opstelling waarmee de qubits onderzocht zijn. Bron: University of Groningen

De onderzoekers gebruiken qubits op basis van siliciumcarbide, een halfgeleidend materiaal. Het bestaat uit een regelmatig rooster van silicium- en koolstofatomen. Op een paar plekken in de kristalrooster zitten onzuiverheden. Dit zijn plekken waar een siliciumatoom vervangen is door een ander atoom. In dit geval waren dat molybdeen-atomen. Meestal zijn onzuiverheden in een kristal vervelend, maar quantumwetenschappers zijn er juist blij mee. De onzuiverheden, in combinatie met de bijbehorende elektronen, kunnen namelijk een qubitsysteem vormen.

Qubits zijn meestal fragiel. Ze raken hun bijzondere qunatuminformatie snel kwijt. Kristalroosters bieden een veilige omgeving waarin de qubits niet snel verstoord raken.

Qubits kunnen de quantuminformatie die ze bevatten, uitzenden in de vorm van licht. Dat doen ze niet zomaar. Eerst schijnt er licht op met de juiste golflengte. Daardoor schiet een van elektronen van het qubitsysteem naar een hoger energieniveau. Na een tijdje raakt dat elektron die energie weer kwijt, door het uit te zenden in de vorm van licht. Dat licht bevat de quantuminformatie van het qubit.

De molybdeen-qubits die de onderzoekers gebruiken, zenden infraroodlicht uit met een golflengte van 1100 nanometer (een miljoenste van een millimeter). ‘Dat zit behoorlijk in de buurt van het infraroodlicht dat telecombedrijven door glasvezels sturen’, zegt promovendus Tom Bosma van het Zernike Instituut van de Rijksuniversiteit Groningen.

Ideale golflengte

De qubits die nu veel gebruikt worden voor onderzoek bestaan uit stikstof-onzuiverheden in diamant. Deze zenden rood licht uit met een golflengte van 630 nanometer. Dat licht kan niet door de huidige glasvezelkabels. ‘Er zijn speciale kabels gemaakt waar dit licht wel doorheen kan’, zegt Bosma. ‘Maar daarbij treedt verlies op.’ Om onderweg zo min mogelijk licht te verliezen, is een golflengte tussen 1300-1500 nanometer het best.

Onderzoekers kijken ook naar manieren om licht van 630 nanometer om te zetten naar 1300-1500 nanometer. Maar ook daarbij gaat veel licht verloren.

Dus zoeken onderzoekers verder naar een qubit die licht van die ideale glasvezelgolflengte uitzendt. Het molybdeen-qubit komt behoorlijk in de buurt, maar is nog niet goed genoeg. ‘We hebben nu een andere qubitsysteem op het oog’, zegt Bosma. ‘Siliciumcarbide met vanadium-onzuiverheden lijkt de goede eigenschappen te hebben voor een qubit. En het zendt in de ideale golflengte licht uit.’ De volgende stap is te onderzoeken of vanadium-qubits stabiel genoeg zijn om een quantumverbinding tot stand te brengen.

‘Er zijn veel verschillende mogelijke onzuiverheden, zowel in siliciumcarbide als in diamant’, zegt Peter Humphreys van de QuTech in Delft. Humphreys was niet bij het onderzoek betrokken en werkt zelf aan diamant-qubits. ‘De onderzochte qubits zenden licht uit van een gunstigere golflengte dan de veelgebruikte qubits. Maar veel van de andere eigenschappen die een goede qubit moet hebben, zijn nog niet onderzocht. Meer van dit soort onderzoek is nodig om eigenschappen van verschillende qubits vast te stellen.’

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees ook: