[PWC-MEDIA] Persbericht TU Delft: Wetenschappers demonstreren nieuw soort laser

From: Sharita Balgobind <U.S.Balgobind@xxxxxxxxxx>
To: "pwc-media@xxxxxxxxxxxxx" <pwc-media@xxxxxxxxxxxxx>
Date: Fri, 3 Mar 2017 09:18:46 +0000

Wetenschappers demonstreren nieuw soort laser

Lasers vind je tegenwoordig overal: artsen gebruiken ze bij het doen van
oogcorrecties, kassamedewerkers scannen er je boodschappen mee en
quantumwetenschappers hebben ze nodig voor het controleren van qubits in de
toekomstige quantumcomputer. In de meeste toepassingen zijn de huidige grote,
inefficiënte lasers een prima oplossingen, maar quantumsystemen werken op heel
kleine schaal en bij extreem lage temperaturen. Wetenschappers proberen al 40
jaar nauwkeurige en efficiënte microgolflasers te ontwikkelen die de
ultra-koude en fragiele quantumexperimenten niet verstoren. Een team van
wetenschappers onder leiding van Leo Kouwenhoven aan de TU Delft heeft een
laser-op-een-chip ontwikkeld, gebaseerd op een fundamentele toepassing van
supergeleiding: het ac Josephson-effect. Ze plaatsten een onderbroken stukje
supergeleidend materiaal, een Josephson-junctie, in een nauwkeurig
gefabriceerde holte. De resulterende microgolflaser opent de deur naar vele
toepassingen waarbij microgolflicht met minimaal verlies essentieel is. Een
belangrijk voorbeeld daarvan is de controle van qubits in een schaalbare
quantumcomputer. De wetenschappers publiceren hun werk in Science op 3 maart.

Lasers
Lasers zijn uniek door de emissie van perfect gesynchroniseerd, coherent licht.
Dit betekent dat de lijnbreedte (die overeenkomt met het kleurspectrum) heel
smal kan zijn. Een typische laser bestaat uit een groot aantal emitters (zoals
atomen, moleculen of ladingsdragers in halfgeleiders) in een gefabriceerde
holte. Dit soort conventionele lasers zijn vaak inefficiënt en genereren veel
warmte. Dit maakt ze lastig te combineren in lage temperatuur-toepassingen,
zoals quantumtechnologie.

Supergeleidende Josephson junctie
In 1911 ontdekte de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes dat
bepaalde materialen bij lage temperatuur overgaan in een supergeleidende
toestand waarbij elektrische stroom geen verlies ondervindt. Een van de meest
belangrijke toepassingen van supergeleiding is het Josephson effect: als een
stuk supergeleider heel even is onderbroken kunnen de ladingsdragers volgens de
wetten van de quantummechanica door die barrière tunnelen. Dit gebeurt met een
hele specifieke frequentie die afhangt van een extern aangebrachte
gelijkspanning. De Josephson junctie is daardoor perfect voor de conversie van
voltage naar licht (frequentie).

[cid:image001.png@01D29407.8AC76150]
QuTech Wetenschappers ontwikkelden een on-chip microgolflaser gebaseerd op een
fundamenteel aspect van supergeleiding: het ac Josephson effect. Op de chip is
een Josephson junctie op nanoschaal gekoppeld aan een supergeleidende holte.
Door met een batterij een kleine gelijkspanning aan te leggen over de junctie
kunnen er Cooper paren tunnelen door de junctie waardoor microgolflicht vrij
komt. De supergeleidende holte zorgt voor versterking van dit licht, waardoor
uiteindelijk een coherente straal microgolflicht uit de chip komt. Zo’n chip is
veelbelovend in toepassingen zoals een schaalbare quantumcomputer.

Josephson junctie laser
De QuTech-wetenschappers fabriceerden een enkele Josephson-junctie in een heel
precies gefabriceerde supergeleidende microholte, kleiner dan een mier. De
Josephson-junctie gedraagt zich hier als een enkel atoom, terwijl de microholte
zich gedraagt als twee spiegels voor microgolflicht. Door een kleine
gelijkspanning over de Josephson-junctie aan te leggen ontstaan er
microgolflichtdeeltjes met een golflengte die overeenkomt met de micro-holte.
Terwijl de lichtdeeltjes resoneren tussen de supergeleidende spiegels wordt de
Josephson-junctie gedwongen om meer lichtdeeltjes te genereren, synchroon met
de lichtdeeltjes in de microholte. Door de chip af te koelen naar ultra-lage
temperaturen (<1 Kelvin) observeren de wetenschappers wanneer ze een kleine
spanning aanbrengen een coherente straal van microgolflicht bij de uitgang van
de microholte. De on-chip laser, die volledig uit supergeleidend materiaal
bestaat, is heel energie-efficiënt en veel stabieler dan eerder gedemonstreerde
halfgeleider-lasers. Er is minder dan een picoWatt nodig om licht te
produceren, ruim 100 miljard minder dan een gloeilamp nodig heeft.

Quantum controle
Voor alle huidige voorstellen van de quantumcomputer zijn efficiënte, coherente
microgolfbronnen essentieel. Microgolflicht wordt gebruikt voor het uitlezen en
overbrengen van quantuminformatie, voor het corrigeren van fouten en voor het
controleren van individuele quantumdeeltjes. Anders dan de huidige dure en
inefficiënte microgolfbronnen is deze ontwikkelde Josephson-junctielaser niet
alleen efficiënt, maar ook makkelijk te controleren en aan te passen door het
ontwerp op de chip. De wetenschappers breiden het ontwerp nu uit naar
afstembare Josephson-juncties gemaakt van nanodraden om zo ook korte pulsen te
kunnen genereren om meerdere quantumdeeltjes snel te kunnen controleren. In de
toekomst kan zo’n chip worden gebruikt voor zogeheten “amplitude-squeezed”
licht met nog kleinere fluctuaties in de intensiteit. Dit is belangrijk in de
meeste voorgestelde quantumcommunicatieprotocollen. Dit werk is een belangrijke
stap in de richting van grootschalige quantumcontrole voor
quantum-informatietechnologie.

Dit werk is uitgevoerd bij QuTech en het Kavli Institute of Nanoscience bij de
Technische Universiteit Delft, gesponsord door de samenwerking tussen FOM en
Microsoft op het gebied van Topological Quantum Computation en de European
Research Council (ERC).

Paper: Demonstration of an AC Josephson junction laser. M. C. Cassidy1, A.
Bruno1, S. Rubbert2, M. Irfan2, J. Kammhuber1, R. N. Schouten1,2, A. R.
Akhmerov2, L. P. Kouwenhoven1,2.
1QuTech, Delft University of Technology, P.O. Box 5046, 2600 GA Delft,
Netherlands.
2Kavli Institute for Nanoscience, Delft University of Technology, P.O. Box
5046, 2600 GA Delft, Netherlands.
DOI 10.1126/science.aah6640<http://science.sciencemag.org/content/355/6328/939>

Contact
Dr. M. Cassidy, QuTech TU Delft,
M.C.Cassidy@xxxxxxxxxx<mailto:M.C.Cassidy@xxxxxxxxxx>, +61479057729
Dr. ir. J. Cramer, Outreach Coordinator QuTech TU Delft,
J.Cramer@xxxxxxxxxx<mailto:J.Cramer@xxxxxxxxxx>, +31 (0) 624928665

[PWC-MEDIA] Persbericht TU Delft: Wetenschappers demonstreren nieuw soort laser

Other related posts: