Átomo de terras raras pode criar um repetidor quântico em comprimentos de onda de telecomunicações – Physics World

Átomo de terras raras pode criar um repetidor quântico em comprimentos de onda de telecomunicações – Physics World

Carimbo de data / hora: 13 de setembro de 2023 3:24

Imagem do dispositivo de érbio, que é um chip cinza contendo uma grade de furos e dois canais em forma de fita
Compatível com telecomunicações: uma imagem do dispositivo usado no experimento. (Cortesia: Lukasz Dusanowski)

Pesquisadores da Universidade de Princeton, nos EUA, deram um passo fundamental para a realização de redes quânticas escaláveis ​​graças a um elemento de terras raras: o érbio. O érbio é bom na emissão e absorção de fótons em comprimentos de onda usados ​​na indústria de telecomunicações, o que é uma vantagem porque esses fótons podem viajar longas distâncias com pouca atenuação em fibras ópticas padrão. Aproveitar esta força no domínio quântico tem sido um desafio, mas a equipa de Princeton conseguiu persuadir um dispositivo baseado em érbio a emitir fotões idênticos – um pré-requisito para repetidores quânticos partilharem informações quânticas através de vastas distâncias.

“As fibras dopadas com érbio são usadas como repetidores clássicos para fazer amplificadores de fibra clássicos para todos os tipos de links de comunicações ópticas, como cabos submarinos de longa distância”, diz Jeff Thompson, professor de engenharia elétrica e de computação em Princeton e investigador principal do trabalho. “Então, para mim, foi muito natural tentar criar uma versão quântica disso.”

Vantajoso, mas difícil de trabalhar

Os fótons podem ser portadores naturais de informação, mas são difíceis de manter e raramente interagem entre si. Isso significa que se um fóton for perdido ou a informação nele codificada se degradar, outros fótons não poderão ajudar. Em vez disso, a informação quântica precisa ser armazenada em algum tipo de memória – neste caso, um átomo. “Um repetidor quântico é, na verdade, apenas uma forma de mapear informações quânticas entre a luz e os átomos”, explica Elizabeth Goldschmidt, professor de óptica quântica na Universidade de Illinois-Urbana Champaign, EUA, que não esteve envolvido no trabalho.

Nas redes quânticas baseadas em repetidores, a ideia é estabelecer o emaranhamento entre dois pontos distantes, dividindo essa distância em pedaços. A forma como isto funciona é que um repetidor quântico numa extremidade do canal de longa distância emite um fotão e, no processo, fica emaranhado com ele. Outro repetidor a uma curta distância do canal também emite um fóton na direção do primeiro. Quando os dois fótons se encontram, eles são medidos de uma forma que os emaranha. Enquanto os fótons permanecerem emaranhados com seus respectivos emissores, os emissores também ficarão emaranhados. Ao continuar este processo ao longo da cadeia, eventualmente os dois emissores em extremidades opostas do canal ficarão emaranhados. Em seguida, eles podem ser usados ​​como chaves compartilhadas em um esquema de distribuição de chaves quânticas ou podem compartilhar um pouco de informação quântica por meio de um protocolo de teletransporte quântico.

Repita depois de mim

Outras tecnologias de repetidores quânticos foram desenvolvidas usando vários átomos ou defeitos no diamante. No entanto, estes sistemas geralmente emitem fótons em frequências quase visíveis, que se atenuam rapidamente nas fibras ópticas. Para funcionarem de maneira ideal, eles exigem conversão de frequência, que é complexa e pode ser cara. Um repetidor que emite automaticamente luz na cor desejada simplificaria muito o processo.

Para fazer um átomo de érbio funcionar como um repetidor quântico, duas coisas principais precisam dar certo. Primeiro, o átomo precisa emitir fótons com rapidez suficiente para tornar o esquema prático. Em segundo lugar, o fotão emitido deve preservar as suas propriedades quânticas e permanecer emaranhado com o átomo que o emitiu, apesar das perturbações – uma propriedade conhecida como coerência.

Infelizmente, os átomos de érbio na natureza emitem fótons em bandas de telecomunicações apenas muito raramente. Para aumentar a taxa de emissão do érbio na cor desejada, a equipe colocou o átomo dentro de um cristal, a poucos nanômetros de distância da superfície. No topo deste cristal, eles colocaram uma cavidade, que é um dispositivo nanofotônico de silício projetado para capturar a luz no comprimento de onda preciso que o érbio emite. Ao levar o átomo de érbio a esta cavidade, os pesquisadores de Princeton persuadiram-no a emitir fótons de telecomunicações quase 1000 vezes mais frequentemente do que faria de outra forma.

Escolha sabiamente

Para preservar a coerência quântica dos fotões durante tempo suficiente para transmitir o emaranhamento, Thompson e colegas tiveram que escolher o seu material cristalino com muito cuidado. De milhares de possibilidades iniciais, eles tentaram cerca de 20 em laboratório antes de se decidirem pelo tungstato de cálcio, o que elevou a coerência dos fótons emitidos alta o suficiente para que eles participassem da interferência quântica entre si. Essa interferência quântica é necessária para o estágio de medição do emaranhamento de fótons na arquitetura do repetidor quântico.

O próximo passo, que os investigadores de Princeton dizem estar ao nosso alcance, é demonstrar o emaranhamento entre fotões emitidos por diferentes átomos de érbio. Depois disso, é uma questão de encadear os repetidores para formar um canal de comunicação quântica. Os pesquisadores acreditam que esta tecnologia deve ser fácil de escalar, uma vez que aproveita a madura indústria fotônica de silício. “Acho que isso é algo muito novo e importante”, diz Goldschmidt. “Os átomos de terras raras podem reter grande parte da excelente coerência obtida com átomos ou íons no vácuo, ao mesmo tempo que são altamente projetáveis ​​e compatíveis com a integração de dispositivos, como mostrado claramente neste trabalho.”

A pesquisa é descrita em Natureza.

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