Er is een belangrijke stap gezet in de richting van een functioneel kwantuminternet met de ontwikkeling van een nieuwe moleculaire qubit die kwantuminformatie over bestaande glasvezelnetwerken kan verzenden. Onderzoekers hebben een qubit ontwikkeld op basis van het zeldzame aardelement erbium, waarbij gebruik wordt gemaakt van de unieke optische en magnetische eigenschappen ervan om de kloof tussen kwantumberekeningen en conventionele telecommunicatie-infrastructuur te overbruggen.
De uitdaging van kwantumdatatransmissie
De huidige beperkingen in kwantumcommunicatie komen voort uit de kwetsbaarheid van qubits en de moeilijkheid om hun delicate kwantumtoestanden over lange afstanden te verzenden. In tegenstelling tot klassieke bits, die stabiel zijn als binaire 1’s of 0’s, bestaan qubits in een superpositie van toestanden, waarbij ze tegelijkertijd meerdere waarden vertegenwoordigen. Deze eigenschap, hoewel krachtig voor berekeningen, maakt ze gevoelig voor decoherentie of verlies van kwantuminformatie tijdens verzending.
Om dit te ondervangen hebben wetenschappers verschillende qubit-technologieën onderzocht, waaronder supergeleidende circuits, gevangen ionen en fotonen. De nieuwe op erbium gebaseerde qubit introduceert een hybride aanpak die de stabiliteit van spinqubits combineert met de transmissiemogelijkheden van fotonische qubits.
Erbium: een veelzijdige kwantumbouwsteen
De nieuw ontworpen qubit maakt gebruik van het vermogen van het erbiumatoom om kwantuminformatie magnetisch op te slaan terwijl deze optisch wordt gelezen. Deze dubbele functionaliteit is cruciaal: de magnetische spin codeert de waarde van de qubit, terwijl de optische eigenschappen uitlezing mogelijk maken met behulp van standaard spectroscopische technieken. Het voordeel van het gebruik van erbium is de compatibiliteit met telecomgolflengten – de standaardfrequenties die worden gebruikt in glasvezelnetwerken.
“Deze moleculen kunnen fungeren als een brug op nanoschaal tussen de wereld van het magnetisme en de wereld van de optica”, legt Leah Weiss, mede-eerste auteur van het onderzoek, uit. “Informatie zou kunnen worden gecodeerd in de magnetische toestand van een molecuul en vervolgens toegankelijk worden gemaakt met licht op golflengten die compatibel zijn met goed ontwikkelde technologieën die ten grondslag liggen aan optische vezelnetwerken en silicium fotonische circuits.”
Kwantumnetwerken schalen
De mogelijkheid om op telecomgolflengten te werken lost twee belangrijke problemen op: minimaal signaalverlies over lange afstanden en naadloze integratie met siliciumchips. Silicium is transparant voor deze frequenties, waardoor optische signalen kunnen passeren zonder te worden geabsorbeerd. Dit betekent dat kwantumgegevens kunnen worden ingebed in bestaande hardware, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor kleinere, compactere apparaten.
De moleculaire structuur van de qubit, die grofweg 100.000 keer kleiner is dan een mensenhaar, maakt ook nauwkeurige controle en schaalbaarheid mogelijk. Onderzoekers kunnen de eigenschappen van de qubit afstemmen via synthetische chemie, waardoor deze aanpasbaar wordt aan solid-state apparaten en zelfs biologische omgevingen.
Toekomstige implicaties
Deze doorbraak vertegenwoordigt een grote vooruitgang in kwantumnetwerken. Het vermogen om kwantumtechnologie rechtstreeks in de bestaande infrastructuur te integreren zou de ontwikkeling van ultraveilige communicatieverbindingen en kwantumcomputernetwerken over lange afstanden kunnen versnellen.
Zoals David Awschalom, hoofdonderzoeker van het onderzoek, stelt: “Door de veelzijdigheid van deze erbium-moleculaire qubits aan te tonen, zetten we een nieuwe stap in de richting van schaalbare kwantumnetwerken die rechtstreeks kunnen worden aangesloten op de hedendaagse optische infrastructuur.”
De ontwikkeling van deze nieuwe qubit brengt de droom van een volledig functioneel kwantuminternet dichter bij de werkelijkheid en belooft een toekomst waarin veilige kwantumcommunicatie over lange afstanden niet langer een theoretische maar een praktische mogelijkheid is.
