12 januari 2006
Onderzoekers van Cambridge University en Toshiba hebben bekendgemaakt dat ze een nieuw quantum mechanisme hebben ontwikkeld op een chip, die ‘entangled photons’, verstrengelde photons, die als een eenheid functioneren, produceert via een halfgeleider, een technologie die quantum encryptie mogelijk maakt. Bij verstrengelde photonparen zijn de fundamentele eigenschappen dusdanig onlosmakelijk aan elkaar verbonden, dat ze als een eenheid opereren. De techniek biedt vele mogelijkheden voor encryptie, communicatie, imaging en chipproductie. Het nu ontwikkelde apparaat is om twee redenen van groot belang, zo zegt Andrew Shields, hoofd van de Quantum Information Group bij het Toshiba R & D centrum in Europa. ‘First, it’s made from ordinary semiconductors; second, it produces entangled photons on command. For the first time, we can produce pulses of photons that are regular and reliable enough to be used as a clock in quantum computing, for example, from something we can make almost as easily as any other semiconductor’, zo geeft hij aan.
Reeds in 1935 formuleerden Einstein, Podolsky en Rosen de EPR-paradox waarmee het principe van verstrengeling werd aangetoond, maar nu is men erin geslaagd om met normale halfgeleidermaterialen de verstrengelde fotonen te produceren. ‘Mostly made from gallium arsenide, a common semiconductor already widely used in fast logic and optoelectronics, the device’s key components are quantum dots of indium arsenide 12 nanometers in diameter and 6 nanometers high’. Ter vergelijking: een haar telt ongeveer 100.000 nanometers). ‘The indium arsenide self-organizes into the dots, like raindrops on a car bonnet’, zo gaat Shields verder. ‘We found that the key was producing the dots with a high degree of symmetry, and the physics of the materials does that for us’. Een ‘quantum dot‘ is een kristal, dat de energie heeft van een atoom en die door licht kan worden gestimuleerd om photonen te genereren. Het onderzoeksteam ontdekte dat de vorm van de ‘dot’ bepaalt of de photonen verstrengeld zijn of niet, en dat de vorm kan worden bepaald door de wijze waarop de ‘dot’ ontstaat of door de toepassing van een extern magnetisch veld. In de toegepaste techniek geeft een laserstraal energie aan twee electronen, die vervolgens de energie doorsluizen naar twee nauw intergerelateerde photons op twee verschillende frequenties. Deze photonen kunnen onafhankelijk worden getransporteerd buiten het apparaat. Op dit moment is het licht bijna-infrarood en moet het apparaat tot extreem lage temperaturen worden gekoeld. ‘There’s no reason, in theory, why we can’t replicate this effect at room temperature, and we’ve already seen emission at 1,300 nanometers where telecommunications lasers work’, zo gaat Shields verder. ‘There are challenges still to be overcome, and I’d expect to see this in production in three to four years’. De status van de photonen kan worden gededuceerd op basis van de status van de andere photonen in de paren. Gecombineerd met statistische technieken is het mogelijk om encryptiesleutels te verzenden naar een andere locatie en er zeker van te zijn dat ze niet onderschept zijn. Michael Pepper, directeur van Toshiba’s Cambridge Research Laboratory, verwoordt het als volgt: ‘In Toshiba we have been convinced for a long time that fundamental physics could be used for a new generation of communication systems that give entirely new functions such as inherent security. The ability to generate entangled photons on demand, by pressing a switch, opens the door to many new applications. These include quantum computers based on novel principles and may even extend to consumer electronics as entangled photons can be used to make devices with much smaller features than normal photons’.
