Geïntegreerde fotonische technologie maakt berekeningen met licht op een chip mogelijk, vergelijkbaar met hoe moderne microchips berekeningen met elektronen uitvoeren. Nog opmerkelijker is dat fotonische processoren met licht op het fundamentele quantumniveau kunnen werken, wat snelle ontwikkelingen in fotonische quantum computing stimuleert. Het lectoraat Applied Nanotechnology van hogeschool Saxion doet daar onderzoek naar. Zo ontwikkelen en bouwen ze er een werkende demonstratie-opstelling voor de sleuteltechnologie Quantumtechnologie met gebruik van een andere sleuteltechnologie, Fotonica. Ze werken daarbij samen met Quix Quantum en ontvangen steun vanuit het Groeifonds-programma Quantum Delta NL.
Wat je leest in dit artikel
De uitdaging voor de onderzoekers van Saxion was om een werkende demonstratie-opstelling voor een fotonische quantumprocessor te maken. In dit artikel lees je hoe de onderzoekers deze uitdaging zijn aangegaan.
Caterina Taballione is commercial & partnership lead, QuiX Quantum: "Fotonische geïntegreerde schakelingen zijn noodzakelijk voor quantum computing. Deze schakelingen brengen allerlei uitdagingen met zich mee. Maar om te beginnen zou je een chip al kunnen gebruiken om studenten te trainen en hen te laten begrijpen wat er in vredesnaam allemaal gebeurt op quantumniveau. Je zou een paar experimenten kunnen opzetten om hun dat te laten zien. Zoiets is ook nuttig voor ons, omdat we willen weten wat goede en slechte chips zijn."
Dmytro Polishchuk is projectleider en senior onderzoeker bij het lectoraat Applied Nanotechnology van Saxion: "Effectieve quantumontwikkelingen vereisen specifieke technologische kennis en praktische vaardigheden, waarvan de opbouw jaren in beslag neemt. Door aan dit soort projecten te werken, kunnen we deze basis niet alleen actueel houden, maar ook inzetten in onderzoeksprojecten met onze partners en bij het opleiden van onze studenten."
Tjeerd Bollmann is senior onderzoeker en docent bij het lectoraat Applied Nanotechnology van Saxion: "Geïntegreerde fotonica is een belangrijke technologie die de benodigde precisie en schaalbaarheid binnen bereik brengt voor realistische quantumoplossingen. De demonstrator voor een fotonische quantumprocessor, gerealiseerd in nauwe samenwerking tussen onze hogeschool en QuiX Quantum, toont de kracht van het verenigen van onderzoek en industrie om quantum computing vooruit te helpen."
Lectorate, part of Saxion
Het lectoraat Applied Nanotechnology heeft, in samenwerking met de industriële partner QuiX Quantum en het Quantum Delta NL Groeifonds-programma een experimentele quantumcomputeropstelling ontwikkeld en gebouwd. Deze opstelling is gebaseerd op een programmeerbare fotonische chip.
Belangrijk is dat deze chip simpele quantumbewerkingen en -metingen kan uitvoeren bij kamertemperatuur, waardoor er geen dure koelinstallaties nodig zijn. Daarnaast zijn voor de opstelling commercieel verkrijgbare componenten gebruikt, wat ertoe bijdraagt dat het geheel zeer toegankelijk en betaalbaar is. Zo hebben de onderzoekers een relatief goedkoop BBO-kristal gebruikt, als bron voor enkele fotonen, en detectoren op basis van fotodiodes uit standaardsiliciumtechnologie.
Op de foto hieronder: opstelling met fotonische quantumprocessor bij Saxion. Een fotonische chip (midden) vormt het hart van de opstelling, waar de ‘quantummagie’ plaatsvindt. De chip is omgeven door elektrische en optische verbindingen. Op de achtergrond zijn de overige optische componenten zichtbaar (rechtsboven), alsook de fotondetectoren (linksboven). Beide zijn essentieel voor de werking van de gehele opstelling.
Uitgaande van de kale fotonische chip, die door QuiX Quantum beschikbaar werd gesteld, hebben we de benodigde ondersteunende subsystemen helemaal zelf ontwikkeld. Denk hierbij aan de elektrische aansturing, de temperatuurregeling en de mechanische constructie. Na opbouw is het systeem eerst met succes getest in het klassieke regime, onder meer om de regelbaarheid van het licht te demonstreren, en vervolgens in het quantumregime.
Daarbij is gebruik gemaakt van een enkele-fotonbron en speciale detectieschema’s gebaseerd op coïncidentiemetingen (waarbij twee fotonen gelijktijdig worden gedetecteerd). Ten slotte zijn er standaard-quantumexperimenten uitgevoerd met de chip, in het bijzonder interferentie van een enkel foton (het quantum-equivalent van de dubbele-spleetexperimenten uit de klassieke optica). Op dit moment maken we de opstelling gereed om met de chip Hong-Ou-Mandel-interferentie te meten. Dit effect is de hoeksteen voor fotonische quantum computing.
Omdat de set-up vanaf het begin is ontworpen voor een hoge mate van aanpasbaarheid en een brede inzetbaarheid, kunnen we die gebruiken als testopstelling voor diverse fotonische oplossingen voor quantum computing. Samen met de opgedane kennis en ervaring vormt dit een perfect uitgangspunt voor het ontwikkelen van praktische oplossingen voor echte quantumtoepassingen in toekomstige projecten. Omdat studenten nauw betrokken zijn bij deze ontwikkelingen, zorgt het tevens voor een goede training van nieuw talent.
Op de foto hieronder: de set-up met de ontwikkelaars, van links naar rechts: Levi Munk, afstudeerder Elektrotechniek, ROC van Twente; Dmytro Polishchuk, senior onderzoeker en projectleider, lectoraat Applied Nanotechnology, Saxion; Jaron Leene, stagiair opleiding Technische Natuurkunde, Saxion.
De ontwikkelde opstelling kunnen we gebruiken als een technische basis voor verder onderzoek naar problemen gerelateerd aan geïntegreerde fotonische quantumtechnologie, in nauwe samenwerking met onze industriële en academische partners. Inmiddels is al een aantal nieuwe onderzoeksprojecten gepland. Eén ervan betreft het doorontwikkelen van de huidige opstelling naar een compacte en daarmee draagbare demonstrator voor onderwijs- en outreach-activiteiten. Ze hopen hiermee de technologie zichtbaarder en breder toepasbaar te kunnen maken.
Het project wordt uitgevoerd binnen het lectoraat Applied Nanotechnology van hogeschool Saxion door de onderzoekers Dmytro Polishchuk en Tjeerd Bollmann en lector Cas Damen.
Quix Quantum is als partner uit het MKB betrokken, terwijl het Groeifonds-programma Quantum Delta NL ook voor partners zorgt en financiering levert.
Consortium, part of Zuyd Hogeschool, Hogeschool Utrecht, Breda University of Applied Sciences, +10
