Deterministische en zeer ononderscheidbare enkele fotonen in de telecom C-band

Licht voor het internet van de toekomst

Het internet van vandaag zendt informatie met laserlicht door glasvezels, maar het kwantuminternet van morgen zal stromen van individuele lichtdeeltjes — fotonen — nodig hebben die op een perfect gecontroleerde manier reageren. Deze studie toont hoe je een piepkleine lichtbron op een chip kunt bouwen die betrouwbaar telkens één foton van hoge kwaliteit uitzendt op precies de golflengten die al worden gebruikt in langeafstandsvezelnetwerken, waardoor praktische kwantumcommunicatie een stap dichterbij komt.

Waarom enkele fotonen op elkaar moeten lijken

Voor veel kwantumtechnologieën, van ultra-veilige communicatie tot krachtige nieuwe vormen van berekening, is het niet genoeg om fotonen op aanvraag te hebben; die fotonen moeten ook vrijwel identiek zijn. Als twee fotonen echt ononderscheidbaar zijn — dezelfde kleur, timing en golfvorm — kunnen ze met elkaar interfereren op een manier die geen tegenhanger heeft in het dagelijks leven. Deze "twee-foton-interferentie" is een basiselement voor kwantumlogische bewerkingen met licht. De uitdaging is geweest een bron te maken die zulke vrijwel identieke fotonen produceert in de standaard telecom C-band rond 1550 nanometer, waar bestaande glasvezelnetwerken het minst verliezen.

Een piepkleine kunstmatige atoom op een chip

De auteurs gebruiken een halfgeleider-kwantumdot, een door de mens gemaakte structuur zo klein dat hij zich gedraagt als een kunstmatig atoom. Hun apparaat is opgebouwd uit indiumarsenide ingebed in zorgvuldig ontworpen omringend materiaal en geplaatst in een cirkelvormige Bragg-groefresonator, die fungeert als een microscopische spiegelholte die het uitgezonden licht naar boven stuurt. De chip bevindt zich in een cryostaat op vier graden boven het absolute nulpunt en wordt aangeslagen met zeer korte laserpulsen. De onderzoekers leiden de resulterende fotonen vervolgens door filters en glasfibercomponenten om hun kleur, timing en hoe vaak meer dan één foton tegelijk wordt uitgezonden te analyseren.

Het afstemmen van de excitatie van de dot

Om de beste bedrijfsomstandigheden te vinden, vergelijkt het team systematisch vier verschillende manieren om de kwantumdot met een laser aan te sturen. Eén methode gebruikt een hoogenergetische laser die veel toestanden tegelijk exciteert, terwijl andere selectievere golflengten gebruiken, waaronder een techniek waarbij de laser iets afgesteld is van de hoofdtransitie en de kwantumdot vibraties in het kristal — phononen — absorbeert of emitteert om in de juiste toestand te komen. Voor elk schema meten ze hoe "enkel" de bron is door te kijken naar de kans op meer dan één foton per puls, en hoe ononderscheidbaar opeenvolgende fotonen zijn door paren in een beam-splitter te sturen en te registreren hoe sterk ze interfereren.

Een record aan foton-gelijkheid behalen

Het meest opvallende resultaat komt van de phonon-geassisteerde excitatiemethode. In dit regime zendt het apparaat vrijwel geen extra fotonen uit — de bijdrage van meerdere fotonen is slechts een paar procent — en, belangrijk, interfereren opeenvolgende fotonen met een ruwe zichtbaarheid van meer dan 91 procent. Dit getal is een directe aanwijzing voor hoe gelijk de fotonen zijn en overtreft eerdere records voor vaste-stof emitterende bronnen bij telecomgolflengten. De auteurs tonen aan dat andere excitatiemethoden nog steeds goed enkel-foton gedrag produceren maar tekortschieten in ononderscheidbaarheid, waarschijnlijk omdat ze de kwantumdot-toestand langzamer en minder schoon voorbereiden.

Wat dit betekent voor kwantumnetwerken

In eenvoudige termen hebben de onderzoekers een microscopische lichtbron gebouwd die op aanvraag vrijwel identieke enkele fotonen kan afgeven op dezelfde kleur die wordt gebruikt in de huidige langeafstandsvezelnetwerken. Door de fotonkwaliteit van complexere probabilistische bronnen te evenaren of te overtreffen terwijl ze deterministisch blijven — een foton uitzenden wanneer daarom wordt gevraagd — helpt hun aanpak een belangrijke prestatiekloof te dichten. Dit brengt praktische kwantumcommunicatiesystemen en toekomstige lichtgebaseerde kwantumcomputers dichterbij de realiteit, gebruikmakend van hardware die geïntegreerd kan worden in bestaande telecominfrastructuur.

Bronvermelding: Hauser, N., Bayerbach, M., Kaupp, J. et al. Deterministic and highly indistinguishable single photons in the telecom C-band. Nat Commun 17, 537 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68336-0

Trefwoorden: single-fotonbronnen, kwantumdots, telecom C-band, kwantumcommunicatie, foton-onderscheidbaarheid