EnglishDetector telt tot 276 fotonen met meetonzekerheid kleiner dan één foton
Onderzoekers van de Universiteit Paderborn hebben een meetsysteem gebouwd dat lichtdeeltjes in een korte lichtflits telt. Tot 276 fotonen zit de telling er minder dan één foton naast. Dat kan helpen bij het bouwen van kwantumcomputers die met licht rekenen.
Licht bestaat uit piepkleine deeltjes, fotonen. Een gewone lichtmeter ziet alleen hoe fel het licht is. Maar voor technologie die met losse lichtdeeltjes werkt, zoals kwantumcomputers die met licht rekenen, moet je precies weten hoeveel fotonen er in een korte lichtflits zitten. Dat is lastig: hoe meer fotonen, hoe moeilijker het wordt om ze een voor een te tellen.
Timon Schapeler en Tim Bartley van de Universiteit Paderborn in Duitsland hebben nu een meetsysteem gebouwd dat lichtflitsen tot 276 fotonen telt met een fout van minder dan één foton. Het kan zelfs meer dan 9.000 fotonen in één flits tellen, al wordt de meting dan minder precies. Ze publiceerden het werk in het vaktijdschrift Optica.
Eén flits verdeeld over 1.024 telplekken
De onderzoekers gebruikten detectoren die gewoon te koop zijn: supergeleidende nanodraden. Dat zijn uiterst dunne draadjes die zo sterk worden gekoeld dat ze stroom zonder weerstand geleiden. Valt er een foton op zo'n draadje, dan merkt de detector dat meteen.
Om veel fotonen tegelijk te kunnen tellen, verdeelden de onderzoekers elke lichtflits eerst in 128 kleinere flitsjes die kort na elkaar aankomen. Die gingen naar acht detectoren, wat samen 1.024 telplekken oplevert. Doordat het licht over zoveel plekken verdeeld is, krijgt elke plek maar een klein deel van de fotonen, en samen tellen ze de hele flits. Om de uitkomst precies te maken, beschreven de onderzoekers met een rekenmodel hoe elk onderdeel van de detectoren reageert. Dat model maakten ze eerder samen met Mariia Sidorova van het Duitse instituut voor meetstandaarden PTB.
De winst zit in die combinatie. Met alleen het verdelen van het licht had je volgens de onderzoekers voor dezelfde precisie ongeveer 37.000 telplekken nodig, ruim 36 keer zoveel. Volgens Schapeler is hun systeem ongeveer tien keer zo groot als eerdere systemen die fotonen op deze manier verdelen en tellen.
Eerst laserlicht, straks kwantumlicht
De proef deden de onderzoekers met flitsen van een laser, met gemiddeld tussen 1 en 15.000 fotonen per flits. De volgende stap is meten aan licht met kwantumeigenschappen, zoals het licht waarmee een kwantumcomputer op basis van licht rekent. Volgens Bartley kan zo'n meetsysteem veel leren over hoe je zulke computers groter maakt, en ook camera's die losse fotonen kunnen zien.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Kwantumcomputers die met licht rekenen, werken met lichtflitsen waarin het precieze aantal fotonen ertoe doet. Hoe groter zo'n computer wordt, hoe meer fotonen er tegelijk door het apparaat gaan. Wie dat aantal niet goed kan meten, ziet ook niet waar het misgaat. Een meetsysteem dat honderden fotonen precies telt, met veel minder telplekken dan eerst nodig leek, maakt het makkelijker om grotere opstellingen te controleren en te verbeteren.
Als die lijn doorzet en het systeem ook werkt voor kwantumlicht, kunnen bouwers van zulke computers sneller zien welk onderdeel fouten maakt en dat verhelpen. Van kwantumcomputers wordt vooral verwacht dat ze moleculen en materialen kunnen doorrekenen waar gewone computers op vastlopen. Een beter meetinstrument bouwt zo'n computer niet vanzelf, maar elke stap die het bouwen versnelt, brengt dat werk dichterbij: van nieuwe medicijnen tot betere batterijen. Ook camera's die losse fotonen zien, kunnen er beter van worden. Die maken beelden bij zo weinig licht dat een gewone camera niets ziet.
