Quantumgeluid verbindt quantumapparaten van de toekomst

Artist’s impression van verstrengelde fononen – deeltjes van mechanische trilling – die door een siliciumchip reizen. De blauwe en rode bolletjes stellen lichtdeeltjes voor die ook verstrengeld zijn met de fononen. (Beeld: Amirparsa Zivari)

De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in Science Advances.

Het netwerk dat Simon Gröblacher en eerste co-auteurs Amirparsa Zivari en Niccolò Fiaschi bouwden, bestaat uit golven die door een quantumchip reizen. Deze golven worden fononen genoemd; mechanische trillingen in de chip. Fononen zijn nuttige deeltjes om verschillende soorten quantumapparatuur te koppelen, omdat ze zich kunnen verbinden met bijna alle andere soorten quantumsystemen, zoals fotonen (lichtdeeltjes) of elektronen. Je kunt je fononen voorstellen als de trillingen van een trommel, legt Fiaschi uit: “Als er geen fononen waren, zou het trommelvel helemaal stilstaan. Zodra je fononen gaat toevoegen, voeg je energie toe aan het systeem en gaat de trommel trillen, net alsof er een quantumgeluid ontstaat.”

Om quantuminformatie over te brengen heb je een verstrengeld systeem nodig; een soort onlosmakelijke band tussen quantumdeeltjes. Zivari: “Verstrengeling is de belangrijkste bron voor quantuminformatie en -communicatie. We hebben een voortbewegende verstrengelde toestand gecreëerd op onze chip, die erg nuttig is om twee qubits te verbinden, maar we hebben ook aangetoond dat de fononen die door onze chip reizen verstrengeld zijn met fotonen, lichtdeeltjes. We kunnen deze fotonen gebruiken om informatie over lange afstanden te verzenden, wat betekent dat de informatie niet alleen op de chip staat opgeslagen, maar ook met een optische vezel naar een andere stad kan worden gestuurd.”

Veel qubits opslaan
Hoewel onderzoekers eerder de potentie van fononen voor de opslag van quantuminformatie hebben aangetoond, zijn die systemen meestal vrij moeilijk op te schalen tot meerdere qubits. Bovendien bleven de golven in eerder onderzoek met zich voortbewegende fononen niet goed begrensd op de chip. Met behulp van een golfgeleider slaagden de natuurkundigen er nu in de trillingen langs een nauwkeurig pad in de chip te sturen. ”Voor het eerst zijn we in principe in staat om zoveel qubits op te slaan als we maar willen op een zeer compact oppervlak”, aldus Zivari.

Verschillende quantumapparaten verbinden
Volgens Zivari en Fiaschi is het bouwen van een quantumprocessor en -netwerk uit verschillende soorten quantumsystemen de meest efficiënte optie. “Zo zou de rekenkracht of CPU van de computer waarschijnlijk kunnen worden gedaan door supergeleidende qubits. Spins – kleine quantummagneten met een extreem lange levensduur – kunnen juist informatie opslaan en dienen als het geheugen van de computer”, aldus Fiaschi. “Om dat voor elkaar te krijgen zouden we echter het geheugen met de CPU moeten verbinden en verschillende soorten quantumapparaten en qubits aan elkaar moeten koppelen. Fononen zijn hiervoor een ideale kandidaat.”

Zivari: “Het is erg lastig om twee quantumapparaten te verbinden zodat ze met elkaar kunnen communiceren, maar dat is wel precies wat we willen doen. Het spannende is dat we nu een stap dichter bij het koppelen van verschillende quantumapparaten en qubits zijn.” Nu de onderzoeksgroep erin geslaagd is afzonderlijke fononen te besturen en langs een specifiek pad te leiden, bestaan de volgende stappen uit het bouwen van een bundelsplitser om de fononen langs verschillende paden op een chip te leiden, en een phase shifter om de toestand van de fononen te veranderen terwijl ze hun pad afleggen door de chip. “Dat zijn de drie belangrijkste onderdelen die we nodig hebben om fononen volledig te controleren en complexe quantumexperimenten met fononen op een chip uit te kunnen voeren”, besluit Gröblacher.