Zoektocht naar "ontbrekende schakel" in quantumcommunicatie

Een team van 14 quantumfysici en biofysici gaat op zoek naar een ontbrekende schakel tussen quantumcomputing, -detectie en -communicatie: een systeem om quantuminformatie over een breed frequentiebereik te verzenden en ontvangen. Dit systeem zou een gestandaardiseerde signaaloverdracht mogelijk maken tussen quantumapparaten, vergelijkbaar met hoe het wereldwijde telecommunicatienetwerk ons tegenwoordig met elkaar verbindt en ons in staat stelt om informatie te delen via internet, Bluetooth, telefoongesprekken en meer.

Met de aankomende revolutie van quantumcomputers kunnen we complexe problemen waar traditionele computers jaren over zouden doen, in luttele seconden oplossen. Klassieke computers verwerken bits, dat zijn kleine stukjes informatie waaruit gegevens bestaan, aangeduid met een 0 of een 1. Alles wat online wordt gedeeld bestaat uit bits, inclusief WhatsApp-berichten, foto's en TikTok-video's. Qubits, het equivalent van bits die worden gebruikt in quantumcomputers, hebben veel meer mogelijke toestanden, waardoor informatie in de computer complexer en sneller te verwerken is. Het delen van de informatie die is opgeslagen in quantumcomputers en -apparaten is echter nog erg moeilijk.

Frequenties overbruggen
Nu quantumcomputers realiteit worden, ontstaat er een nieuw probleem, zegt projectcoördinator Mazhar Ali: "We hebben geen algemene brug om quantuminformatie van qubits of quantumsensoren over te brengen naar het telecommunicatieweb dat de planeet omringt. Deze brug heet quantumtransductie; het omzetten van quantuminformatie naar een elektromagnetisch signaal dat geschikt is voor telecommunicatie en weer terug. Transductie betekent simpelweg het omzetten van de ene vorm van energie in een andere. Breedbandtransductie, het omzetten van deze informatie over een breed frequentiebereik, is essentieel voor onze samenleving. Het stelt ons in staat om verbinding met elkaar te maken, met elkaar te praten en al onze apparaten gecoördineerd te gebruiken.

Daarom hebben quantumfysici en biofysici van de Technische Universiteit Delft, QuTech en het Kavli Institute of Nanoscience Delft hun krachten gebundeld om op zoek te gaan naar breedband quantumtransductie. "Huidige computers genereren informatie met een frequentie van een paar gigahertz, terwijl telecomsignalen duizend keer sneller trillen; met honderden terahertz. Maar qubits werken bijvoorbeeld bij relatief specifieke frequenties van vijf tot tien gigahertz. Dat betekent dat we een brug moeten vinden van het qubitbereik van een paar gigahertz naar het telecombereik van honderden gigahertz,” zegt Ali. "Maar anders dan hedendaagse computergegevens met een satelliet verbinden, is er de bijkomende uitdaging om quantummechanische informatie te behouden bij het delen van het signaal. We zouden graag dezelfde vormen van communicatie gebruiken die we al hebben, met behoud van de informatie uit quantumdeeltjes en hun fase voor een breed frequentiebereik."

Microfoons
"Microfoons zijn een goed voorbeeld van omvormers,” legt Ali uit. "Als ik in een microfoon praat, maak ik drukgolven in de lucht. Er zit een materiaal in de microfoon dat de impact van de trillende lucht voelt en een wisselspanning opwekt om het geluid dat ik maak om te zetten in een elektrisch signaal. De microfoon zet dus de energie van mijn stemgeluid om in elektrische energie. Microfoons zijn ook een hele breedbandige omvormer: Ik kan op verschillende frequenties praten en de microfoon kan die tonen allemaal in een breed bereik oppikken en doorgeven aan een computer of luidspreker."

Quantummaterialen
Quantummaterialen zoals grafeen en supergeleiders zouden weleens de sleutel kunnen zijn tot quantumtransductie, omdat hun gedrag voornamelijk wordt bepaald door quantumprocessen. "Er zijn veel verschillende soorten quantumovergangen te vinden in quantummaterialen met het juiste energiebereik die we nodig hebben om quantumapparaten te verbinden met telecomfrequenties,” zegt Ali. "Quantummaterialen lijken dus een logische match als we breedband quantumtransducers willen maken met overgangen die in dit frequentiebereik liggen."

Geïnspireerd door het oog
"Een andere plek waaruit we inspiratie halen is de nanobiologie, en het lijkt erop dat daar wat antwoorden te vinden zijn," zegt Ali. "Mijn collega-onderzoekers Marie-Eve Aubin-Tam en Dimphna Meijer van de afdeling Bionanoscience me hebben geleerd dat ons hele lichaam voortdurend bezig is met transductie. Een voorbeeld is het oog: verschillende soorten moleculen in het oog knikken om wanneer er licht op het oog valt. De knik veroorzaakt een kleine chemische verandering, die op zijn beurt een elektrische piek veroorzaakt die helemaal naar de hersenen toe gaat. Omdat zichtbaar licht in het terahertzbereik ligt, blijken deze moleculen al antennes te zijn voor terahertz-signalen. We willen onderzoeken of we deze moleculen kunnen combineren met onze quantummaterialen als sensoren. Deze moleculen zouden dan de overgangen in het materiaal kunnen triggeren die de quantuminformatie doorgeven."

Quantummaatschappij
Over vijf jaar hopen de wetenschappers ten minste één vorm van breedband quantumtransductie te kunnen demonstreren. Ali: "Dit onderzoek neemt een groot risico door een grote uitdaging in de natuurkunde aan te gaan, maar met de grote beloning om impact ta maken op gebieden van quantum-informatiekunde tot medische beeldvorming. We zijn een divers team dat de expertise van een breed scala aan wetenschappers uit verschillende disciplines samenbrengt, zodat we op de lange termijn de quantummaatschappij helpen opbouwen waar we allemaal naar streven. Quantumtransductie is een verrassende ontbrekende schakel waar de bredere wetenschappelijke gemeenschap pas over begint na te denken, en de TU Delft en het Kavli Institute of Nanoscience Delft is de perfecte plek om hieraan te werken."

Kavli Institute Innovation Award
De Kavli Institute Innovation Award is een subsidie van The Kavli Foundation en biedt financiering voor ‘high-risk, high-reward’ onderzoeksprojecten.