Computerchip met nano-optisch quantumgeheugen

28 oktober 2017, 00:00
Artist’s impression van het quantumgeheugen (afbeelding Ella Maru Studio).
Artist’s impression van het quantumgeheugen (afbeelding Ella Maru Studio).

Een internationaal team van onderzoekers, onder leiding van het California Institute of Technology (Caltech), heeft een computerchip ontwikkeld met een nano-optisch quantumgeheugen. Een quantumgeheugen slaat informatie op vergelijkbare wijze op als traditioneel computergeheugen — maar dan op individuele quantumdeeltjes, in dit geval fotonen (lichtdeeltjes). Op die manier kunnen de bijzondere eigenschappen van de quantummechanica (zoals superpositie, waarbij een quantumelement gelijktijdig in twee verschillende toestanden kan bestaan) worden benut.

Het gebruik van individuele fotonen om gegevens op te slaan en te transporteren is al lang een wens van engineers en fysici, omdat fotonen een veilige en betrouwbare drager van informatie (kunnen) zijn: aangezien ze geen lading en massa hebben, kunnen ze vrijwel zonder interactie met andere deeltjes via een optisch vezelnetwerk worden verstuurd.

De nieuwe quantumgeheugen-chip is deels vergelijkbaar met een traditionele geheugenchip: beide slaan informatie in binaire vorm op. Bij traditioneel geheugen gebeurt dat door miljarden minuscule elektronische schakelaars aan of uit te zetten — corresponderend met een 1 of een 0. Bij een quantumgeheugen wordt de informatie opgeslagen in de quantumeigenschappen van individuele elementaire deeltjes (in dit geval lichtdeeltjes of fotonen). Een fundamenteel kenmerk van deze quantum-eigenschappen (waartoe onder andere polarisatie en spin behoren) is dat ze tegelijkertijd in verschillende toestanden kunnen bestaan. Zodoende kan een quantumbit (beter bekend als qubit) tegelijk een 0 en een 1 representeren.

Om fotonen op te slaan, hebben de onderzoekers onder leiding van Andrei Faraon modules geconstrueerd met behulp van optische trilholtes, bestaande uit kristallen die met zeldzame aarden zijn gedoteerd. Elke module is 700 nm breed en 15 µm lang, en wordt afgekoeld tot 0,5 K (dus net boven het absolute nulpunt). Dan pompt een zwaar gefilterde laser afzonderlijke fotonen in de module.

Na 75 ns werden de fotonen weer ‘vrijgelaten’; het bleek dat 97% hun informatie had behouden. Het team werkt nu aan manieren om de tijd te verlengen dat de informatie wordt vastgehouden, en de effectiviteit daarvan te vergroten. Ook is het de bedoeling de nieuwe technologie te integreren in complexere chips als basis voor quantum-netwerken.

Faraon en zijn medewerkers hebben hun bevindingen gepubliceerd onder de titel ‘Nanophotonic rare-earth quantum memory with optically controlled retrieval’.
 

Het pricipe van superpositie.

Reacties worden ingeladen...
gerelateerde items