Kwantumlichttest 20% sneller met extra foton

Natuurkundigen van de Universiteit Twente hebben een van de oudste en meest gebruikte experimenten uit de kwantumfysica verbeterd — door er één extra lichtdeeltje aan toe te voegen. De nieuwe methode, gepubliceerd in Physical Review Letters, kan helpen om de ontwikkeling van toekomstige kwantumcomputers te versnellen.

Het experiment in kwestie heet de Hong-Ou-Mandel-test en is sinds 1987 de standaardmethode om de kwaliteit van losse lichtdeeltjes, oftewel fotonen, te controleren. De test werkt door twee fotonen op een zogeheten bundelsplitser af te vuren — in essentie een halfverzilverde spiegel. Als de twee fotonen werkelijk identiek zijn, dwingt de kwantumfysica ze om samen, via dezelfde kant, de splitser te verlaten. Zijn ze niet volledig identiek, dan komen ze soms aan verschillende kanten naar buiten. Door het experiment duizenden keren te herhalen, kunnen natuurkundigen nauwkeurig meten hoe goed hun fotonen op elkaar lijken.

Die precisie is belangrijk, omdat fotonische kwantumcomputers werken door individuele fotonen te manipuleren in plaats van elektrische signalen. Wil die technologie functioneren, dan moet elk betrokken foton vrijwel niet te onderscheiden zijn van de andere — en in echte laboratoria is dat nooit vanzelfsprekend.

De maatstaf voor fotonmetingen verbeteren

Het probleem is dat het controleren van fotonen twee aan twee slecht opschaalt. Bij een machine met tien fotonen zijn er al 45 verschillende paren te testen. Het Twentse team, onder leiding van promovendus Stefan van den Hoven, vond een manier om dat knelpunt te omzeilen: voeg een tweede bundelsplitser toe, zodat een derde foton kan meedoen.

"Hong-Ou-Mandel is een van de eerste experimenten waarover je leert in de quantumoptica," aldus Van den Hoven. "Het is meestal ook het eerste ijkpunt dat quantumonderzoekers bij hun experimenten gebruiken."

Door drie fotonen tegelijk te laten interfereren in plaats van twee, levert elke meting meer informatie op over hoe goed de fotonen bij elkaar passen. Het team berekende dat hun aanpak ongeveer 20% minder herhaalde metingen nodig heeft om dezelfde precisie te bereiken als de oude tweefotonmethode. Met behulp van een statistisch hulpmiddel, de Fisher-informatiematrix, toonden ze bovendien aan dat hun driefotonopstelling de best mogelijke versie van de test is — een versie die zelfs beter presteert dan een foutloze, ruisvrije uitvoering van het traditionele experiment.

Gokken zonder te verliezen

Normaal gesproken vergroot het toevoegen van meer fotonen aan een kwantumexperiment ook het risico dat er onderweg deeltjes verloren gaan, wat de meting doorgaans zou verpesten. Hier is dat geen probleem: raakt het experiment halverwege een foton kwijt, dan valt de opstelling automatisch terug op het gedrag van de traditionele tweefotontest.

"Je kunt dus gokken zonder te verliezen," aldus Van den Hoven.

Voorlopig is de techniek vooral nuttig voor quantumoptica-laboratoria die hun fotonenbronnen willen fijnafstellen. Maar de onderzoekers zeggen dat de methode uiteindelijk kan dienen als ijkstandaard, of zelfs rechtstreeks kan worden ingebouwd in grootschalige fotonische kwantumcomputers als vaste kwaliteitscontrole — iets dat steeds belangrijker wordt naarmate deze machines opschalen naar honderden fotonen tegelijk. Of dezelfde truc net zo goed werkt met vier of vijf fotonen, blijft een open vraag voor toekomstig onderzoek.