Verbeterde kwantumverstrengeling: doorbraak in fotonenpartners bij regeling op nanoschaal met molybdeendisulfide.

AmsterdamOnderzoekers van Columbia Engineering hebben een belangrijke doorbraak bereikt in het creëren van fotonenparen, die essentieel zijn voor quantumtechnologieën, met een veel kleiner en energiezuiniger apparaat. Onder leiding van universitair hoofddocent P. James Schuck heeft het team een methode ontwikkeld die dunne lagen van een van der Waals-materiaal, bekend als molybdeendisulfide, gebruikt. Deze doorbraak is bedoeld om de basis te versterken voor de integratie van toekomstige quantumapparaten op chips, waardoor zowel energie-efficiëntie als capaciteiten worden verbeterd.

Ultradunne Apparatuur Herdefinieert Quantumtechnologie

Het nieuwe apparaat heeft een dikte van slechts 3,4 micrometer en zou de bouw van kwantumsystemen drastisch kunnen veranderen. Het onderzoeksteam stapelde zes dunne kristallen van molybdeen disulfide, waarbij elke laag 180 graden is gedraaid ten opzichte van de aangrenzende lagen. Terwijl licht door deze lagen gaat, vindt er quasi-fase-aanpassing plaats, wat de creatie van fotonenparen mogelijk maakt die nuttig zijn voor communicatietechnologieën. Voor het eerst wordt deze methode toegepast in van der Waals-materialen voor de generatie van fotonenparen.

De voordelen van deze innovatieve methode zijn onder andere:

Hoogwaardige efficiëntie bij het genereren van fotonenparen, minder fouten vergeleken met traditionele methoden, aanzienlijke energiebesparing en compatibiliteit met geïntegreerde technologieën bieden nieuwe mogelijkheden. Deze innovaties kunnen aanzienlijke impact hebben op satellietcommunicatie en mobiele quantumnetwerken.

Door voort te bouwen op eerdere bevindingen van de groep, hebben ze nu met succes de beperkingen bij het gebruik van molybdeendisulfide overwonnen. In 2022 stuitten ze op problemen veroorzaakt door lichtgolfinterferenties, die ze nu hebben opgelost. Door de kristaloriëntatie op een slimme manier te rangschikken, hebben ze het genereren van fotonenparen op kleinere schaal mogelijk gemaakt.

Doorbraak in Fotongeneratie: Innovatieve Kristaloriëntatie Lost Beperkingen op

Onderzoekers van Columbia Engineering, waaronder Chiara Trovatello, hebben een nieuwe weg geopend naar efficiëntere materialen voor toekomstige quantumtoepassingen. Dit onderzoek, gesteund door het energie frontiers onderzoekscentrum van het Department of Energy aan Columbia, streeft ernaar het potentieel van quantum-materialen te benutten en daarmee zware traditionele kristallen te vervangen.

Impact van nanoschaalapparaten

De invloed van het onlangs ontworpen nanoschaalapparaat is op verschillende belangrijke manieren aanzienlijk. Het brengt ons dichterbij de integratie van essentiële quantumcomponenten in compacte, energiezuinige systemen. Dit onderzoek betekent een grote stap voorwaarts in het miniaturiseren van technologie die nodig is voor quantumcommunicatie en -verwerking. Hier is waarom dit van belang is.

• Het apparaat is klein maar krachtig, waardoor het eenvoudig kan worden geïntegreerd in standaard siliciumchips.
• Het verhoogt de energie-efficiëntie en verlaagt zo het energieverbruik van quantumtechnologieën.
• De toepassing van van der Waals-materialen biedt nieuwe mogelijkheden voor innovatieve quantum-fotonicarchitecturen.

Stel je een toekomst voor waarin technologie minder energie verbruikt en tegelijkertijd snellere en betrouwbaardere communicatie mogelijk maakt. Dit apparaat belooft zulke vorderingen. Door de noodzakelijke systemen voor het genereren van verstrengelde fotonenparen te verkleinen, wordt kwantumtechnologie praktischer en breder inzetbaar. Dit opent de deur voor wijdverbreid gebruik, van het verbeteren van telecommunicatie-infrastructuur tot het bevorderen van veilige kwantumcommunicatie voor mobiele apparaten en satellieten.

Het gebruik van van der Waals-materialen zoals molybdeendisulfide is zeer innovatief. Deze materialen kunnen, indien op een strategische manier gestapeld, licht zeer efficiënt en met minimale foutmarges beheren. Dit vermindert de kans op verkeerde uitlijning bij het koppelen van fotonen, wat leidt tot meer consistente resultaten. Een dergelijke betrouwbaarheid is essentieel voor de naadloze en effectieve werking van toekomstige technologieën.

De gevolgen reiken verder dan alleen het verkleinen en efficiënter maken van technologieën. Ze omvatten ook het uitbreiden van de toepassingen van quantum-versterkte technologieën naar mainstream-toepassingen. Industrieën die afhankelijk zijn van nauwkeurige optische technologieën, zoals de luchtvaart en telecommunicatie, kunnen aanzienlijk profiteren. Deze doorbraak is een stap richting praktische quantumtechnologieën die kunnen worden geïntegreerd in bestaande en nieuwe infrastructuursystemen. Naarmate we deze ontwikkelingen verder benutten, zal het landschap van snelle en veilige communicatie snel veranderen. Deze innovaties vormen de bouwstenen voor het volgende hoofdstuk in het tijdperk van quantumentechniek.

Toekomstige kwantumtoepassingen

De vooruitgang in het creëren van verstrengelde fotonenparen met behulp van nanomaterialen luidt een nieuw tijdperk in binnen de kwantumtechnologie. Deze verbeteringen bieden een blik op wat mogelijk is nu kwantumtoepassingen hun huidige beperkingen overstijgen. De integratie van zeer efficiënte, kleinschalige kwantumapparaten biedt spannende mogelijkheden. Hier zijn enkele mogelijke toepassingen:

• Verbeterde telecommunicatie door hogere datasnelheden
• Veiligere encryptie via geavanceerde kwantumcommunicatie
• Ontwikkeling van gevoeliger laboratoriumapparatuur
• Efficiënte kwantumcomputers die minder energie verbruiken
• Uitbreiding van satellietcommunicatienetwerken

De integratie van deze nieuwe technologie in bestaande siliciumchips leidt tot apparaten die niet alleen krachtiger, maar ook energiezuiniger zijn. Dit past goed binnen de industrie die steeds meer inzet op milieuvriendelijke technologieën. Bovendien biedt het vermogen om op kleine schaal betrouwbaar verstrengelde fotonen te genereren nieuwe mogelijkheden voor wijdverspreide toepassing in diverse sectoren. Quantumcommunicatie, bijvoorbeeld, zal door deze innovatie ingrijpend veranderen. Opkomende technologieën zoals quantumencryptie zullen ongekende beveiligingsniveaus bieden, waardoor data effectiever beschermd kan worden dan met traditionele methoden mogelijk is.

Bovendien zorgen de hoge efficiëntie en lagere foutmarges van deze methode ervoor dat de problemen van grotere, omvangrijkere systemen tot een minimum worden beperkt. Het is nu mogelijk om quantumcomputers voor te stellen die zowel compact als in staat zijn tot taken waar klassieke computers moeite mee hebben, zoals het oplossen van complexe simulaties en berekeningen.

Naarmate onderzoekers deze technologie verfijnen, kunnen de resulterende apparaten de ruggengraat worden van de kwantumnettenwerken van morgen. Deze vernieuwingen verbreden de mogelijkheden binnen zowel consumentenelektronica als grote industriële toepassingen. De overgang van omvangrijke opstellingen naar geïntegreerde oplossingen op een chip weerspiegelt een bredere trend in technologie: dingen kleiner, sneller en efficiënter maken. Terwijl we aan de vooravond staan van deze kwantumsprong, biedt de toekomst enorm potentieel voor baanbrekende vooruitgang in hoe we communiceren, informatie verwerken en gegevens beveiligen.