Uitdaging 

De uitdaging voor de onderzoekers van Saxion was om een werkende demonstratie-opstelling voor een fotonische quantumprocessor te maken. 

Caterina Tabalione, 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.

Resultaten 

In het lectoraat Applied Nanotechnology van Saxion is, in samenwerking met industriële partner QuiX Quantum en Quantum Delta NL, 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 is een relatief goedkoop BBO-kristal gebruikt, als bron voor enkele fotonen en detectoren op basis van fotodiodes uit standaardsiliciumtechnologie.  

Dmytro Polishchuk, Projectleider en Senior onderzoeker lectoraat Applied Nanotechnology, 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.

Uitgaande van de kale fotonische chip, die door QuiX Quantum beschikbaar werd gesteld, zijn de benodigde ondersteunende subsystemen helemaal zelf door het lectoraat 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). Ten tijde van het schrijven van dit artikel wordt de opstelling gereed gemaakt om met de chip Hong-Ou-Mandel-interferentie te meten. Dit effect is de hoeksteen voor fotonische quantum computing. 

^{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) (Foto: Thomas Busschers).}

Omdat de set-up vanaf het begin is ontworpen voor een hoge mate van aanpasbaarheid en een brede inzetbaarheid, kan deze gebruikt worden 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.

^{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 (Foto: Thomas Busschers).}

Vervolg 

De ontwikkelde opstelling kan, in nauwe samenwerking met industriële en academische partners, worden gebruikt als een technische basis voor verder onderzoek naar problemen gerelateerd aan geïntegreerde fotonische quantumtechnologie. Inmiddels is al een aantal nieuwe onderzoeksprojecten gepland. Eén ervan, in samenwerking met QuiX Quantum en PhiX, betreft het doorontwikkelen van de huidige opstelling naar een compacte en daarmee draagbare demonstrator voor onderwijs- en outreach-activiteiten. Het lectoraat hoopt hiermee de technologie zichtbaarder en breder toepasbaar te kunnen maken. 
 

Partners 

Het project wordt uitgevoerd binnen het lectoraat Applied Nanotechnology van Saxion door de onderzoekers Dmytro Pulishchuk 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. 

Tjeerd Bollmann, Senior onderzoeker en docent, lectoraat Applied Nanotechnology, 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.