UTMESA+NieuwsPerfecte fotonen voeden nieuwe quantumprocessor

Perfecte fotonen voeden nieuwe quantumprocessor

De quantumprocessor die werkt met licht, fotonen, ontwikkeld aan de Universiteit Twente, wordt een steeds krachtiger ‘toolbox’ voor het uitvoeren van experimenten. Dat komt doordat de nieuwste versie een groter aantal in- en uitgangen heeft, maar ook door een verbeterde fotonenbron. Dat maakt het inmiddels mogelijk om fysische experimenten te doen die voorheen niet mogelijk waren. En die soms tegen de intuïtie ingaan. Kan een systeem zich bijvoorbeeld tegelijk quantummechanisch en thermodynamisch gedragen? Reinier van der Meer verdedigt op 24 februari zijn proefschrift.

Het begint bij de bron, als je quantumbewerkingen wilt uitvoeren met licht. De fotonen, lichtdeeltjes, die je wilt gebruiken, moeten zo goed mogelijk identiek zijn. Anders gaan ze de kenmerkende quantumeigenschappen zoals verstrengeling en superpositie niet vertonen. Heeft het ene foton aan de bron net een iets andere kleur licht dan het andere, dan bestaat het risico dat de quantumeigenschappen niet tevoorschijn komen en geen berekening mogelijk is. In zijn proefschrift presenteert Van der Meer een driefotonen bron op basis van titanylfosfaat (KTP). In de huidige versie is de bron op te schalen naar elf zeer identieke fotonen.

Processing met fotonen

De processor waarmee Van der Meer zijn experimenten heeft uitgevoerd, is een systeem met 12 ingangen en 12 uitgangen. Tussen de in- en uitgangen bevindt zich een stelsel van lichtgeleidende kanalen, van siliciumnitride dat als groot voordeel heeft dat het extreem lage verliezen kent. De eerste processor van dit type had 8 bij 8 ingangen, en eigenlijk is bij toeval uitgevonden dat die zich leende voor quantumexperimenten met fotonen.

De fotonen kunnen bewegen door het stelsel, de kanalen splitsen zich en de ‘wissels’ zijn te besturen van buitenaf, met locale verhitting. Hiermee is het foton van de ene ‘mode’ naar de andere sturen, maar ook ergens tussenin dankzij het typische quantumverschijnsel van ‘superpositie’. Het mooie aan de processor is dat hij werkt op kamertemperatuur, evenals de fotonen. Daardoor zijn fotonen, als ‘quantum bits’ robuuster en hebben ze minder last van ruis dan bijvoorbeeld supergeleidende varianten. Aan de 12 uitgangen is te meten wat er in álle kanalen onderweg is gebeurd met de fotonen.

Quantummechanisch én thermodynamisch?

Dankzij de nieuwe fotonenbron en de opgeschaalde processor, heeft Van der Meer enkele experimenten kunnen uitvoeren. Een daarvan gaat over informatiebehoud. Quantummechanica is een informatiebehoudende theorie: twee systemen gaan in de loop van de tijd niet méér op elkaar lijken. Thermodynamica is een informatieverliezende theorie: twee systemen gaan in de loop van de tijd, steeds meer op elkaar lijken. Die twee kunnen niet tegelijk waar zijn. En toch blijkt een systeem dat als geheel quantummechanisch gedrag vertoont, in deelsystemen toch thermodynamisch is. De informatie kan toch ontsnappen binnen het grotere systeem.

Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Adaptive Quantum Optics en het Centre for Quantum Nanotechnology Twente (QUANT), beide onderdeel van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de UT.


Quix Quantum

De fotonische processor wordt doorontwikkeld door de spinoff onderneming Quix Quantum. Het bedrijf heeft al een aantal processoren verkocht aan onderzoeksgroepen in de wereld, vooral als mogelijkheid om te experimenteren met de manier van werken: hoe reken je met fotonen, wat heb je ervoor nodig? 

 

Reinier van der Meer (Gouda, 1993) promoveert op 24 febuari 2022 op het proefschrift ‘Quantum information processing in large-scale photonic networks’. Zijn promotor is prof.dr. Pepijn Pinkse en zijn co-promotor is dr. Jelmer Renema

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)
+31 53 489 4244 | +31 6 12185692
 w.r.vanderveen@utwente.nl
Gebouw: Spiegel Tuin