FOM

NWO - Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek - print-logo

URL voor deze pagina :
https://www.fom.nl/nieuws/2017/03/09/wetenschappers-demonstreren-nieuw-soort-laser/

Geprint op :
24 maart 2017
18:57:01

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 lagetemperatuurtoepassingen, 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).

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.
1 QuTech, Delft University of Technology, P.O. Box 5046, 2600 GA  Delft, the Netherlands.
2 Kavli Institute for Nanoscience, Delft University of Technology, P.O. Box 5046, 2600 GA  Delft, the Netherlands.
DOI 10.1126/science.aah6640

Contact
Dr. M. Cassidy, QuTech TU Delft, +31 6 14 79 05 77 29
Dr.ir. J. Cramer, Outreach Coordinator QuTech TU Delft, +31 6 24 92 86 65.