Zo gebruiken natuurkundigen licht om complexe structuren te bouwen
Promovendus Petr Steindl maakt complexe lichtstructuren met behulp van afzonderlijke fotonen. Als tiener wilde hij Tsjechische poëzie studeren, maar hij koos toch voor quantumfysica. Op 5 juli verdedigt hij zijn proefschrift over quantumoptica en quantumstip-systemen. ‘Achteraf gezien ben ik blij dat ik van vakgebied ben veranderd.’
‘Een quantumstip is eigenlijk niks meer dan een eilandje van halfgeleidend materiaal’, verduidelijkt Steindl het onderwerp van zijn proefschrift. ‘Omdat het maar een paar nanometer groot is, voelt het quantumeffecten, net als bijvoorbeeld een atoom.’ De onderzoeker plaatst deze quantumstip in een optische microholte om hem efficiënter te kunnen manipuleren. ‘Je kunt je deze holte voorstellen als twee spiegels die tegenover elkaar staan. Laserlicht kaatst ertussen heen en weer. De quantumstip houdt niet van interactie met licht, maar de optische holte maakt de kans groter omdat de laser heel vaak langs de stip gaat.’
Individuele fotonen gebruiken als bakstenen in een huis
Dit ingenieuze apparaat kan worden gebruikt om afzonderlijke fotonen te maken, legt Steindl uit. ‘De resonante laser exciteert een elektron in de quantumstip van zijn grondtoestand naar een hogere toestand. Wanneer het terugvalt naar de grondtoestand, zendt de quantumstip een enkel foton uit. De microholte stuurt dit foton richting de rest van onze opstelling. De uitdaging is om het foton te scheiden van het laserlicht. Het heeft dezelfde golflengte als de laser, maar de polarisatie is net iets anders. Je kunt die eigenschap gebruiken om het foton te isoleren. Tijdens mijn PhD heb ik deze techniek onderzocht en verbeterd.’
Ik vind het fantastisch dat het überhaupt mogelijk is om zulke lichtstructuren te maken.
Het verkrijgen van de enkele fotonen was slechts de eerste stap in het onderzoek van Steindl. ‘Als je hoogwaardige afzonderlijke fotonen hebt - lichtdeeltjes - is het een beetje als een baksteen', illustreert hij zijn werk. ‘Met bakstenen kun je beginnen met het bouwen van een huis. Mijn doel was om afzonderlijke fotonen te combineren en zo ingewikkelde lichtstructuren te bouwen. We hebben bijvoorbeeld een keten van verschillende verstrengelde fotonen gemaakt. Verstrengeld betekent dat ze zo nauw met elkaar verbonden zijn dat je het ene foton niet meer onafhankelijk van het andere kunt beschrijven. We willen deze nieuwe toestanden van licht beter begrijpen.’
De fysica van enkele fotonen
Het bestuderen en gebruiken van afzonderlijke fotonen is een relatief nieuw vakgebied in de natuurkunde. In de jaren 1970 slaagden onderzoekers er voor het eerst in om een foton te isoleren. Deze bronnen van enkele fotonen waren echter nog niet erg efficiënt of robuust. Technologische ontwikkelingen, zoals het gebruik van quantumstippen in optische microholtes, hebben het makkelijker gemaakt om de productie van enkele fotonen te controleren. Een ander voordeel van de microholte is dat het foton met een hoge snelheid wordt weggeschoten, waardoor het zijn toestand beter behoudt. Dit resulteert in afzonderlijke fotonen van hoge kwaliteit die geschikt zijn voor de structuren waar Steindl aan werkt.
Voordelen voor quantumtechnologieën
De visie is om deze nieuwe lichtstructuren uiteindelijk te gebruiken voor quantumcommunicatie, zegt Steindl. ‘We weten dat enkele fotonen nuttig zijn voor beveiliging en authenticatie. Je kunt bijvoorbeeld twee identieke fotonen versturen vanaf verschillende locaties op een bundelsplitser. Als deze fotonen in een veranderde staat aankomen of niet tegelijkertijd, dan weet je dat iemand afluisterde.’ Het onderzoek kan ook nuttig zijn voor het bouwen van quantumcomputers. Een fundamenteel onderdeel is de zogenaamde quantumpoort, maar die zijn moeilijk om te fabriceren. Met de structuren waar Steindl aan werkt zijn die poorten helemaal niet meer nodig.
‘Ik vind het fantastisch om deze lichtstructuren te bouwen', zegt Steindl enthousiast. ‘Het feit dat dit überhaupt mogelijk is, is verbijsterend. Dat we natuurkunde op zo'n diep niveau kunnen begrijpen. Hoewel het fascinerend is, vallen de potentiële quantumtoepassingen wat mij betreft daarbij in het niet. De overstap van literatuur naar quantum was misschien groot, maar het was zeker interessant genoeg om meerdere jaren aan te besteden en ik ben het nog niet beu.’