Een fotonische chip met maar liefst 128 verstelbare componenten, blijkt een echt ‘Zwitsers zakmes’ met een groot aantal toepassingen. Onderzoeker Caterina Taballione van de Universiteit Twente werkte aan een nauwkeurige golflengtemeter op basis van deze herconfigureerbare chip, toen ze een ‘ongezochte vondst’ deed die leidde tot een compleet andere toepassing: door niet een continue lichtstroom in de chip te sturen, maar ‘losse fotonen’, bleek de chip ook in staat om quantum berekeningen uit te voeren. Dezelfde chip bleek, dankzij serendipiteit, ook een fotonische quantumprocessor.
Het manipuleren van licht op een chip is steeds beter mogelijk, juist ook door combinaties van materialen te gebruiken in ‘hybride systemen’. Lichtgeleiders met zeer lage verliezen zijn mogelijk door siliciumnitride te gebruiken, terwijl een zeer nauwkeurige laser lichtbron mogelijk is dankzij indiumfosfide. De fotonische chip die Caterina Taballione presenteert in haar proefschrift, bestaat uit vele componenten die licht kunnen splitsen of weer bijeenbrengen, als op een rangeerterrein bij de spoorwegen. Behalve deze splitters, heeft de chip ook ringvormige componenten: resonatoren die als filter kunnen werken. De kracht ligt in de flexibiliteit: de componenten zijn van buitenaf te besturen, daardoor is de chip programmeerbaar te maken. En dit alles niet alleen in de klassieke benadering, maar ook in het jonge gebied van de quantumfotonica, naar nu blijkt. Dit leidde al tot de oprichting van een nieuwe onderneming die QuiX heet.
Kleuren meten
Het besturen van de componenten gaat door gebruik te maken van temperatuurverschillen. De chip bevat veel zogenaamde Mach-Zehnder interferometers die licht kunnen splitsen vanuit één naar twee lichtgeleiders – waveguides – en het licht ook weer laten samenkomen. Voordat de beide kanalen weer samenkomen, kan één van hen veranderd worden met de temperatuur. Het licht dat uit beide kanalen komt is dan niet meer hetzelfde: de fase is veranderd. Ook de ringvormige componenten zijn op die manier met de temperatuur te besturen. Op die manier is Taballione erin geslaagd, een heel precieze manier te ontwikkelen voor het meten van golflengten in licht. De temperatuurbesturing koppelt ze daarvoor aan een kunstmatig lerend netwerk, een neuraal netwerk.
5G
Dankzij de besturing is het systeem sterk ‘herconfigureerbaar’. Dat maakt het erg geschikt voor toepassing in de komende 5G mobiele standaard. Een van de kenmerken van 5G is dat de draadloze signalen via een gerichte bundel van zendmast naar gebruiker gaan. Het vergt veel rekenwerk om precies de juiste combinatie van kleine antennes te vinden die samen de bundel gaan richten. In deze ‘beam forming’ gaan fotonische chips een belangrijke rol spelen, is de verwachting.
Quantum processor
Terwijl dit stuk voor stuk al krachtige toepassingen zijn voor de fotonische chip die in samenwerking met spinoff LioniX International is ontwikkeld, stuitte Taballione op nóg een toepassing. Want: wat als we onderscheidbare fotonen de chip in sturen in plaats van een continue stroom van licht? In dat geval geven de bestuurbare componenten ook typische quantumeffecten te zien zoals verstrengeling, samensmelten en superpositie. De fotonen die aan de uitgangen worden gemeten, zijn het resultaat van quantum processen die zijn te beïnvloeden door de temperatuur van de componenten te variëren. Een ‘single-photon’ lichtbron en dito lichtdetector werken weliswaar bij lage temperaturen, maar de processor zelf kan zijn werk doen op kamertemperatuur. Dat geeft quantumfotonica een voorsprong op de benadering met ‘qubits’ die werken in de buurt van het absolute nulpunt. Deze, bij toeval ontdekte, extra toepassing, maakt van de chip een krachtig platform voor quantumexperimenten, zeker als het aantal in- en uitgangen nog wordt vergroot – dat is nu, met acht bij acht, al één van de grootste tot nu toe. Nog krachtiger wordt het volgens Taballione als de lichtbron en -detector ook op de chip zijn te integreren. De betrokken UT-wetenschappers hebben een onderneming opgericht, QuiX, om de chip beschikbaar te maken voor onderzoekers en R&D-afdelingen, om het potentieel van quantumfotonica verder te onderzoeken. Na haar promotie werkt Caterina Taballione nu ook voor deze onderneming.
Caterina Taballione heeft haar promotie-onderzoek uitgevoerd in de Laser Physics and Nonlinear Optics groep van Prof. Klaus Boller. De groep maakt deel uit van het MESA+ Instituut van de UT. Het onderzoek is mogelijk gemaakt dankzij het programma MEMPHIS II (merging electronics and micro and nano photonics in integrated systems) van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek NWO.
Caterina Taballione heeft haar proefschrift ‘Integrated programmable waveguide circuits for classical and quantum photonic processors’ op 11 July 2019 verdedigd. Haar promotoren waren prof Klaus Boller en prof Pepijn Pinkse.
