Drie fotonen tegelijk verslaan de standaard fotonentest

Natuurkundigen van de Universiteit Twente hebben de standaardtest voor de kwaliteit van losse lichtdeeltjes verbeterd. Door drie fotonen tegelijk te laten interfereren in plaats van twee halen ze meer informatie uit elke meting. Hun experiment presteert daarmee beter dan een perfecte, ruisvrije uitvoering van de oude methode. Het onderzoek verscheen op 12 augustus in Physical Review Letters.

Quantumtechnologie op basis van licht werkt alleen als de fotonen zo goed als identiek zijn. In de praktijk zijn ze dat nooit helemaal. Daarom meten laboratoria vooraf hoe goed hun fotonen bij elkaar passen. Dat gebeurt sinds 1987 met het Hong-Ou-Mandel-experiment, waarin twee fotonen op een bundelsplitser botsen. Zijn ze niet van elkaar te onderscheiden, dan verlaten ze de splitser altijd samen.

"Hong-Ou-Mandel is een van de eerste experimenten waarover je leert in de quantumoptica", zegt Stefan van den Hoven, promovendus en eerste auteur van het onderzoek. "Het is meestal ook het eerste ijkpunt dat  quantumonderzoekers bij hun experimenten gebruiken."

Meer informatie uit dezelfde meting

Wie een fotonische quantumcomputer bouwt, moet niet één paar fotonen controleren maar honderden. De oude test vergelijkt telkens twee fotonen, dus bij tien fotonen zijn er al 45 paren langs te gaan. Daar komt bij dat één meting nooit een antwoord geeft. Een quantumexperiment levert per keer één uitkomst op en pas na duizenden herhalingen is te zien hoe vaak elke uitkomst voorkomt. Die verdeling verraadt hoe goed de fotonen op elkaar lijken.

De Twentse onderzoekers zetten een tweede bundelsplitser achter de eerste, zodat een derde foton kan meedoen. Die uitbreiding gebruikt precies datgene wat fotonische quantumtechnologie haar kracht geeft: interferentie tussen fotonen. Uit elke meting komt daardoor meer informatie over de vraag hoe goed de fotonen overeenkomen. Er zijn ongeveer een vijfde minder herhalingen nodig om dezelfde precisie te halen.

Dat het om de best mogelijke opstelling gaat, tonen de onderzoekers met de Fisher-informatiematrix, een maat uit de informatiekunde die aangeeft hoeveel een meting zegt over een onbekende grootheid. Voor drie fotonen is hun opzet aantoonbaar optimaal. Uitbreiding naar vier of vijf fotonen kan, maar of het dan ook de beste oplossing is, weten ze nog niet.

Gokken zonder te verliezen

De meeste theoretische quantumvoordelen verdwijnen in de praktijk als er door ruis deeltjes verloren kunnen gaan. Bij drie fotonen is die kans bovendien groter dan bij twee. Hier pakt dat anders uit. Raakt het experiment onderweg een foton kwijt, dan blijven er twee over en levert de opstelling automatisch de vertrouwde tweefotonmeting op. De twee tests bestaan naast elkaar. Van den Hoven: "Je kunt dus gokken zonder te verliezen."

Voorlopig is de methode vooral van belang voor laboratoria in de quantumoptica. Op termijn kan ze mogelijk dienen als ijking of als vaste testmodule in een grootschalige fotonische quantumcomputer.

Over het onderzoek

Het artikel Quantum Advantage for Single-Photon State Characterization van Van den Hoven, Anguita, Marzban en Renema verscheen op 12 augustus 2026 in Physical Review Letters (137, 073604). Het onderzoek is uitgevoerd bij het MESA+ Institute for Nanotechnology van de Universiteit Twente. De financiering komt uit het Nationaal Groeifonds-programma PhotonDelta en de NWO Vidi-beurs "At the Quantum Edge" (VI.Vidi.223.075).

DOI: 10.1103/g28d-jzgj