Materiaal veelbelovend voor quantumcommunicatie
Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de Rijksuniversiteit Groningen heeft quantumbits gemaakt die licht uitzenden met een handige golflengte, namelijk in de buurt van wat in de telecommunicatie al wordt gebruikt.
Het team is erin geslaagd om een quantumbit (qubit) te maken in siliciumcarbide, een halfgeleidermateriaal. Hierin is met opzet een defect aangebracht, een afwijking in het verder zo regelmatige kristalrooster. In dit geval was het defect een molybdeenatoom. Ze hebben gisteren hierover gepubliceerd in vaktijdschrift npj Quantum Information.
Siliciumcarbide is een halfgeleider en er is in het verleden al veel gemeten aan onzuiverheden in het materiaal. ‘Men wilde altijd die onzuiverheden zoveel mogelijk vermijden’, zegt eerste auteur Tom Bosma, promovendus bij het Zernike Institute for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen, in een persbericht. Het grappige is dat Bosma en collega’s juist geïnteresseerd zijn in die onzuiverheden, omdat die de quantumbit zijn werking geven.
Edelstenen
Als je met een laser met de juiste golflengte dit materiaal beschijnt, gaan elektronen in de buitenste schil van het molybdeen naar een hoger energieniveau. Als zo’n elektron weer terugvalt, wordt een foton uitgezonden, een lichtdeeltje. In het geval van molybdeen zit dat licht in het infrarood, bij een golflengte van 1121 nm. De vervuiling met een molybdeen-atoom wordt een color center genoemd; hetzelfde mechanisme geeft edelstenen hun prachtige kleur.
Veilige verbinding
Dit principe is interessant voor onderzoekers in de quantumcommunicatie. Die willen namelijk graag communicatie tot stand brengen tussen twee (of meer) quantumbits. Het idee is dat twee quantumbits die op (flinke) afstand staan, zich tijdelijk in gekoppelde quantumtoestanden bevinden; ze zijn verstrengeld. Zolang ze verstrengeld zijn (lees: 'Verstrengeling van deeltjes bestaat echt'), is die verbinding te gebruiken om informatie aan elkaar over te dragen, meestal met behulp van fotonen (licht). Dat is ook nog eens extreem veilig, want de quantumverbinding is niet ongemerkt af te luisteren.
Materialen voor qubits
in hun Groningse lab.
Het onderzoek naar quantumcommunicatie staat nog behoorlijk in de kinderschoenen. De Groningers hebben zich gericht op materialen die gebruikt kunnen worden voor het maken van qubits. Het tot nu toe meest populaire materiaal is diamant (een zeer regelmatig rooster met enkel koolstofatomen), waarin op één plek een stikstofatoom zit, met daarnaast een gat in het kristalrooster (lees: ‘Quantuminternet stapje dichterbij’).
Dit materiaal doet het prima, maar heeft als nadeel dat het licht dat eruit komt, een veel lagere golflengte heeft dan wat wenselijk is als je gebruik wil maken van bijvoorbeeld glasvezels om het licht te vervoeren. Bij die golflengte zouden daardoor de verliezen te hoog zijn.
Goedkoop
Vandaar de interesse in het siliciumcarbide met molybdeen erin, dat behalve zijn gunstige golflengte nog meer voordelen heeft. ‘Het is heel goedkoop vergeleken met diamant en de halfgeleiderindustrie is al gewend om ermee te werken’, vertelt Bosma.
Verder is het vervuilde siliciumcarbide tunable, de eigenschappen zijn instelbaar. ‘Het materiaal bestaat uit laagjes met verschillende kristalstructuren. Door de volgorde van die laagjes te variëren, krijg je andere eigenschappen.’ Op de plek van het molybdeen zijn ook atomen van andere elementen te plaatsen, wat weer andere eigenschappen oplevert. De groep is geïnteresseerd in vanadium, omdat dat licht oplevert bij echt handige golflengtes – rond de 1300 nm – die in de telecomsector vaak wordt gebruikt (evenals 1550 nm).
Het onderzoek onder leiding van Caspar van der Wal, hoogleraar Physics of Quantum Devices, gaat verder. Door met materialen te variëren, verwacht het team uiteindelijk bij golflengtes te komen die standaard zijn in de telecommunicatie.
Openingsillustratie Impressie van hoe laserlicht de spin polariseert in siliciumcarbide. Bron: Tom Bosma, Rijksuniversiteit Groningen
