Vertalen vanuit quantum

Quantumcomputers en -sensoren beloven sneller rekenen en vele nieuwe toepassingen. Maar voor het omzetten van quantumsignalen naar de wereld van elektronica zijn nog geen breed inzetbare technieken voorhanden. Fysici en ingenieurs in Delft gaan die nu ontwikkelen, met steun van de Kavli Foundation.

In de toekomst voorzien velen een ‘quantummaatschappij’ met talloze apparaten en sensoren die werken op basis van quantummechanische principes. ‘Net zoals nu iedereen persoonlijke elektronische apparaten heeft, zoals een mobiele telefoon en een smartwatch’, zegt Mazhar Ali, universitair hoofddocent bij de TU Delft.

Maar met de opkomst van quantumcomputers en -sensoren doemt een probleem op. Wanneer veel apparaten in het quantumdomein werken, moet de informatie worden omgezet naar het ‘gewone’ elektrische domein van computers en waarin een flink deel van onze telecommunicatie plaatsvindt. Quantumtransductie wordt deze omzetting genoemd, ofwel quantumomzetting.

Het onderzoeksveld van de moderne quantumtransductie is nog jong. Hoewel de eerste voorbeelden dertig jaar geleden werden gedemonstreerd, wordt er de laatste vijftien jaar veel meer onderzoek naar gedaan, vertelt Ali.

‘Er is veel vooruitgang geboekt, maar de grote uitdaging wordt om de informatie die in het quantumsysteem zit, te vertalen naar het domein van elektromagnetische signalen’, zegt Ali. ‘We willen de informatie behouden die zit versleuteld in de quantumdeeltjes en in de fase ervan.’

Quantumrekenen
Waar klassieke computers rekenen met bits die ‘0’ of ‘1’ kunnen zijn, werken quantumcomputers met qubits. Die eenheid kan veel meer mogelijke toestanden aannemen – namelijk een lineaire combinatie van 0 en 1 – waardoor complexe berekeningen sneller kunnen verlopen.
Iedereen in de natuurkundewereld is wel overtuigd van de belofte van quantumcomputers, maar het bouwen ervan blijkt nog lastig. Dat is nog los van de overgang die informatie moet kunnen maken van het quantumdomein naar het ‘gewone’ elektronische domein en terug.

Frequentieverschil

Een van de problemen is dat de frequenties waarbij informatie wordt overgedragen in het quantumdomein anders zijn dan in het elektromagnetische domein. ‘Daar zit wel een factor duizend tussen. Qubits werken bij een paar gigahertz, terwijl telecommunicatie plaatsvindt bij honderden gigahertz tot in het terahertz-bereik’, zegt Ali.

Er zijn al wel wat technische oplossingen bedacht voor de omzetting van ‘quantum’ naar ‘elektronisch’, maar die zijn vaak erg specifiek. ‘Wij gaan in dit project op zoek naar meer algemene oplossingen, noem het breedband transductie.’

Microfoon als analogie

Een goede analogie om dit te kunnen begrijpen is volgens Ali een microfoon, een apparaatje dat geluidsgolven, ofwel trillende lucht, omzet in een subtiel elektrisch signaal. ‘Daarvoor is een piëzokristal verantwoordelijk. Dat verandert van vorm door de trillingen in de lucht en wekt een bijbehorend elektrisch stroompje op. De microfoon zet dus de energie van mijn stemgeluid om in elektrische energie en kan dat ook nog heel breedbandig. Ik kan met verschillende frequenties spreken en de microfoon kan die tonen allemaal oppikken en doorgeven aan een computer of luidspreker. Daarvoor zijn niet twintig verschillende microfoons nodig, die ene kan alle frequenties aan.’

Zo’n algemene brug, en dan ook nog eens voor een groot frequentiebereik, is er nu niet tussen de quantumwereld en het elektromagnetische domein.