ENGINEERINGNET.NL - In de meeste toepassingen zijn de huidige grote, inefficiënte lasers een prima oplossing, maar quantumsystemen werken op heel kleine schaal en bij extreem lage temperaturen.
Wetenschappers proberen al 40 jaar nauwkeurige en efficiënte microgolflasers te ontwikkelen die de ultra-koude en fragiele quantumexperimenten niet verstoren.
Een team van QuTech-wetenschappers, onder leiding van Leo Kouwenhoven, aan de TU Delft heeft een laser-op-een-chip ontwikkeld, gebaseerd op een fundamentele toepassing van supergeleiding: het ac Josephson-effect.
In 1911 ontdekte de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes dat bepaalde materialen bij lage temperatuur overgaan in een supergeleidende toestand waarbij elektrische stroom geen verlies ondervindt. Eén van de meest belangrijke toepassingen van supergeleiding is het Josephson effect: als een stuk supergeleider heel even is onderbroken kunnen de ladingsdragers volgens de wetten van de quantummechanica door die barrière tunnelen.
Dit gebeurt met een hele specifieke frequentie die afhangt van een extern aangebrachte gelijkspanning. De Josephson junctie is daardoor perfect voor de conversie van voltage naar licht (frequentie).
Op de nieuwe on-chip microgolflaser is een Josephson junctie op nanoschaal gekoppeld aan een supergeleidende holte. Door met een batterij een kleine gelijkspanning aan te leggen over de junctie kunnen er Cooper paren tunnelen door de junctie waardoor microgolflicht vrij komt. De supergeleidende holte zorgt voor versterking van dit licht, waardoor uiteindelijk een coherente straal microgolflicht uit de chip komt. Zo’n chip is veelbelovend in toepassingen zoals een schaalbare quantumcomputer.
De QuTech-wetenschappers fabriceerden een enkele Josephson-junctie in een heel precies gefabriceerde supergeleidende microholte, kleiner dan een mier. De Josephson-junctie gedraagt zich hier als een enkel atoom, terwijl de microholte zich gedraagt als twee spiegels voor microgolflicht.
Door een kleine gelijkspanning over de Josephson-junctie aan te leggen ontstaan er microgolflichtdeeltjes met een golflengte die overeenkomt met de micro-holte. Terwijl de lichtdeeltjes resoneren tussen de supergeleidende spiegels wordt de Josephson-junctie gedwongen om meer lichtdeeltjes te genereren, synchroon met de lichtdeeltjes in de microholte.
Door de chip af te koelen naar ultra-lage temperaturen (<1 Kelvin) observeren de wetenschappers, wanneer ze een kleine spanning aanbrengen, een coherente straal van microgolflicht bij de uitgang van de microholte.
De on-chip laser, die volledig uit supergeleidend materiaal bestaat, is heel energie-efficiënt en veel stabieler dan eerder gedemonstreerde halfgeleider-lasers. Er is minder dan een picoWatt nodig om licht te produceren, ruim 100 miljard minder dan een gloeilamp nodig heeft.
Voor alle huidige voorstellen van de quantumcomputer zijn efficiënte, coherente microgolfbronnen essentieel. Microgolflicht wordt gebruikt voor het uitlezen en overbrengen van quantuminformatie, voor het corrigeren van fouten en voor het controleren van individuele quantumdeeltjes.
Anders dan de huidige dure en inefficiënte microgolfbronnen is deze ontwikkelde Josephson-junctielaser niet alleen efficiënt, maar ook makkelijk te controleren en aan te passen door het ontwerp op de chip.
De wetenschappers breiden het ontwerp nu uit naar afstembare Josephson-juncties, gemaakt van nanodraden, om zo ook korte pulsen te kunnen genereren om meerdere quantumdeeltjes snel te kunnen controleren. In de toekomst kan zo’n chip worden gebruikt voor zogeheten 'amplitude-squeezed' licht met nog kleinere fluctuaties in de intensiteit. Dit is een belangrijke stap in de richting van grootschalige quantumcontrole voor quantum-informatietechnologie.
De wetenschappers publiceren hun werk in Science. Dit werk is uitgevoerd bij QuTech en het Kavli Institute of Nanoscience bij de Technische Universiteit Delft, gesponsord door de samenwerking tussen FOM en Microsoft op het gebied van Topological Quantum Computation, en de European Research Council.
