Onderzoekers van UT-onderzoeksinstituut MESA+ zijn er in geslaagd om ruim 10 bit informatie te versturen met één enkel foton. Ze gebruikten hiervoor onder meer een ingenieuze manier om individuele fotonen te kunnen detecteren. De kennis uit het onderzoek kan toegepast worden om de veiligheid en de snelheid van kwantumcommunicatie te verbeteren.
De onderzoeksresultaten zijn vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Optics Express.
Op de vraag ‘hoeveel informatie kun je met één foton versturen?’, zullen de meeste wetenschappers antwoorden één bit (een 1 of een 0). Theoretisch is er echter geen limiet aan de hoeveelheid informatie die je met een foton kan versturen. Wel zijn er veel praktische redenen die de hoeveelheid informatie per foton beperken. Onderzoekers van de UT zijn er, met een vernieuwende methode, in geslaagd maar liefst 10,5 bit informatie met een enkel lichtdeeltje te versturen.
Methode
Prof. dr. Pepijn Pinkse, een van de betrokken onderzoekers, legt uit hoe het systeem werkt. “Je kunt het vergelijken met een laserpointer waarmee je op een letterbord schijnt. De letter waar je op schijnt is de informatie die het licht van de laserpointer bevat. Het aantal letters op het letterbord bepaalt de hoeveelheid informatie die je met het licht kunt verzenden.” Belangrijkste verschil is alleen dat Pinkse en collega’s een alfabet van 9072 tekens creëerden, en ze – in tegenstelling tot een laserpointer – de informatie met één enkel foton verstuurden. En dat laatste is precies waar de uitdaging van het onderzoek lag: het detecteren van individuele fotonen (single foton detection). Ruis – willekeurige fotonen – kan namelijk de meting verstoren. Om ruis te voorkomen, bedachten de onderzoekers een list. Ze maakten gebruik van het feit dat individuele blauwe fotonen uiteen kunnen vallen in precies twee rode fotonen. De onderzoekers zorgden dat het eerste foton een seintje aan de detector (vergelijkbaar met een digitale camera) gaf, zodat deze zeer kort open ging. Het tweede foton werd met een spiegel op de juiste letter van het kunstmatige alfabet gericht. Ze lieten dit foton echter een kleine omweg maken, waardoor die precies bij het juiste teken aankwam als de camera open ging. Doordat de detector alleen op dat moment fotonen door kan laten, konden de onderzoekers op deze manier ruis voorkomen.
Wat praktisch gezien de maximale hoeveelheid is die je met één foton kunt versturen, is moeilijk te zeggen volgens Pinkse. “Er geen theoretisch maximum aan de hoeveelheid informatie die je kunt verzenden met behulp van onze methode; de hoeveelheid informatie is afhankelijk van hoe groot het alfabet is dat je creëert. Maar, zelfs als je een alfabet zou maken dat evenveel tekens bevat als het aantal atomen in het universum, dan zou je maximaal 270 bit met één foton kunnen versturen.”
Onderzoek
Als belangrijkste doel van het onderzoek noemt Pinkse, die in het verleden naam gemaakt heeft met een methode om een onkraakbare creditcard te ontwikkelen, kwantumcommunicatie naar een hoger plan te tillen. “Hoe meer informatie je met een foton kunt versturen, hoe veiliger en sneller je kwantumcommunicatie kunt maken.”
Het onderzoek is uitgevoerd door Tristan Tentrup, Thomas Hummel, Tom Wolterink, Ravitej Uppu, Allard Mosk en Pepijn Pinkse van de vakgroepen Complex Photonic Systems (COPS) en Laser Physics and Nonlinear Optics (LPNO) van UT-onderzoeksinstituut MESA+. Het onderzoek is financieel mede mogelijk gemaakt door de Europese Unie en FOM.
