07/11/2018
Door Ad Spijkers
Data-overdracht via glasvezels is snel en niet gevoelig voor elektromagnetische interferentie. Maar om tientallen kilometers te kunnen overbruggen, is nog wel wat werk nodig. Onder meer aan de universiteiten in Stuttgart en Saarbrücken.
Wetenschappers werken wereldwijd aan de absoluut tegen afluisteren veilige communicatie, de zogeheten kwantumcommunicatie. Voor grote overdrachtsafstanden is de techniek gebaseerd op signaalversterkers, waarbij de interferentie van twee fotonen (dus twee afzonderlijke lichtdeeltjes) een centrale rol speelt.
Natuurkundigen aan de Universität Stuttgart en Universität des Saarlandes konden aantonen, dat men met behulp van kristallen afzonderlijke lichtdeeltjes kan manipuleren en toch hun beslissende quantummechanische natuur kan waarnemen. Deze manipulatie is nodig om informatie met behulp van glasvezeltechniek over te brengen en een naadloos kwantumnetwerken op te bouwen.
Kwantumnetwerk
Een kwantumnetwerk is gebaseerd op de overdracht van afzonderlijke fotonen, die als 'mobiele' kwantumbits fungeren. De waarschijnlijkheid dat zo'n lichtdeeltje bij de ontvanger aankomt, neemt fundamenteel af met toenemende glasvezellengte. Om data over afstanden van tenminste 10 km tot 100 km te kunnen uitwisselen, moeten de lichtdeeltjes daarom een bepaalde golflengte hebben. Maar zelfs dan zijn voor een continentaal netwerk stations nodig waarin het signaal wordt herhaald respectievelijk voorbereid. Deze zogeheten kwantum-repeaters onderscheiden zich echter fundamenteel van signaalversterkers uit de klassieke communicatietechniek.
Kwantum-repeaters moeten de deeltrajecten overbruggen met behulp van kwantumeffecten. Ze zijn gebaseerd op de interferentie van afzonderlijke lichtdeeltjes, die door ruimtelijk van elkaar verwijderde onafhankelijke emitters worden uitgezonden. De onderzoekers gebruiken halfgeleider nanostructuren als emitters van de lichtdeeltjes. Deze hebben het voordeel dat ze met recordsnelheden fotonen uitzenden. Dit is belangrijk voor een snelle data-overdracht. Hier is vooral aan het Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen (IHFG) van de Universität Stuttgart aan gewerkt.
Nanostructuur
De gangbare nanostructuur, ook kwantumpunten genoemd, zenden echter meestal lichtdeeltjes uit waarvan de golflengte niet is aangepast op de overdracht met behulp van glasvezels. Om de vele voorkeuren van kwantumpunten toch te kunnen gebruiken, heeft de werkgroep Kwantumoptica aan de Universität des Saarlandes twee onafhankelijke kwantum-frequentieomvormers gebouwd. Deze omvormers bevatten speciale kristallen. Superponeert men hierin de afzonderlijke lichtdeeltjes met sterk laserlicht, dan kan de golflengte worden gemaniupuleerd. Eerst dan kunnen de lichtdeeltjes over het beoogde 10 km tot 100 km lange glasvezeltraject worden overgedragen. Zonder deze voorbewerking moet men op afstanden van 1 km van elkaar signaalversterkers inbouwen. Dat is nauwelijks te realiseren.
De natuurkundigen konden nu aantonenen, dat men ondanks de noodzakelijke manipulatie het elementaire kwantumeffect nog kon waarnemen. Aldus werden de afzonderlijke lichtdeeltjes door een 2 km lang glasvezeltraject verstuurd en daarna met succes tot interferentie gebracht. Dat is niet vanzelfsprekend in het kader van de in het algemeen zeer fragiele aard van kwantumtoestanden.
Dit zeer complexe experiment kon alleen op grond van de langdurige samenwerkingen van de universiteiten van Stuttgart en het Saarland en in goed teamverband een succes worden. Het toont aan dat halfgeleider-kwantumpunten in combinatie met kwantum-frequentieomzetting een waarlijk platform voor kwantum-repeaters kan zijn.
(foto: Universität Stuttgart/Kolatschek)