Laserlicht (groen) genereert aan de rand van de gaten afzonderlijke fotonen (paars) (afb: Joshua Ziegler)

Door met een ionenbundel gaatjes te boren in tweedimensionaal boornitride ontstaan er kunstmatige atomen die onder normale omstandigheden afzonderlijke fotonen genereren. Hebben we dan eindelijk de stabiele kwantumbits die we nodig hebben voor het nog steeds (al jaren) veelbelovende kwantumrekentuig? De tijd zal het leren.

Hoe het ook zij onderzoeker Benjamin Alemán van de universiteit van Oregon heeft er veel vertrouwen in dat deze ontwikkeling een grote stap in de richting is van een (geheel) optische kwantumcomputer. “Dit biedt een  bron van afzonderlijke fotonen die kunnen dienen als drager voor kwantuminformatie of als kwantumbits. We hebben deze bronnen zo gepositioneerd als we willen. We hebben die patronen graag in circuits of in netwerken op een microchip zodat ze met elkaar kunnen communiceren of met andere kwabits zoals vastestofspins of supergeleidende kwabits.”
Kunstmatige atomen werden zo’n drie jaar geleden ontdekt in stukjes tweedimensionale boornitride, een atoomdikke, isolerende laag met afwisselend boor- en stikstofatomen in een zeshoek net als bij grafeen. Alemán is een van de vele onderzoekers die proberen die ontdekking te benutten om er fotonen (lichtdeeltjes) mee te produceren of kwabits voor een kwantumfotonische schakeling.
Wat een kwantumbit moet doen is bekend, maar hoe dat verwezenlijkt moet worden is nog steeds een groot vraagteken. Afzonderlijke atomen of ionen (geladen deeltjes) worden wel gedacht als kwabits. De spin van die deeltjes wordt dan met een laser in superpositie gebracht, waarbij dat deeltje tegelijkertijd in beide spintoestanden kan verkeren (een van de vele rariteiten van de kwantummechanica). Dat is een hoop gedoe en dergelijke kwantumbits kunnen alleen gerealiseerd worden bij uitzonderlijke lage temperaturen en je hebt daarvoor uiterst geavanceerde apparatuur nodig.

Kunstmatige atomen

Kunstmatige atomen bevinden zich vaak aan de rand van materiaal. Daarom probeerde Alemán en de zijnen eerst zijn kunstmatige atomen te creëren door gaatjes te boren van 500 nm en 4 nm diep in ‘wit grafeen’ (een aanduiding voor hexagonale boornitride). Vervolgens werd het materiaal bij 850°C behandeld met zuurstof om koolstof en andere residuën te verwijderen en om de ‘stralers’ (de gaatjes/kunstmatige atomen, dus) te activeren. Met een confocale microscoop konden de onderzoekers zien dan er licht kwam uit de gaatjes. Inzoomend zagen de onderzoekers dat de afzonderlijke gaatjes licht uitzonden op het laagst mogelijke niveau: een foton per keer.
Die afzonderlijke fotonen zouden gebruikt kunnen worden als minuscule, uiterst gevoelige thermometers, bij de verspreiding van kwantumsleutels of om kwantuminformatie op te slaan, door te geven of te verwerken, stelt Alemán. “Het mooie is dat we een eenvoudige, opschaalbare manier hebben ontdekt om kunstmatige atomen op een microchip aan te brengen en dat die werken in lucht en bij kamertemperatuur.” Hij is ervan overtuigd dat met deze kunstmatige atomen heel wat nieuwe technologieën zullen worden ontwikkeld. “In de toekomst kunnen ze worden gebruikt voor een veiliger communicatie en voor krachtiger computers voor het ontwerpen van levensreddende medicijnen en voor een beter begrip van het universum door kwantumrekenen.” Ach ja, persdiensten van universiteiten zijn niet vies van vette uitspraken.

Bron: Science Daily