Pesquisadores no Japão anunciam avanço quântico na temperatura ambiente – análise de notícias sobre computação de alto desempenho | internoHPC

O professor associado Mark Sadgrove e o Sr. Kaito Shimizu da TUS e o professor Kae Nemoto da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa também fizeram parte deste estudo. Esta fonte de luz de fóton único recentemente desenvolvida elimina a necessidade de sistemas de resfriamento caros e tem o potencial de tornar as redes quânticas mais econômicas e acessíveis.

Emissores de fóton único conectam mecanicamente bits quânticos (ou qubits) entre nós em redes quânticas. Eles normalmente são feitos incorporando elementos de terras raras em fibras ópticas a temperaturas extremamente baixas. Agora, pesquisadores do Japão, liderados pelo professor associado Kaoru Sanaka, da Universidade de Ciências de Tóquio, desenvolveram uma fibra óptica dopada com itérbio em temperatura ambiente. Ao evitar a necessidade de soluções de resfriamento caras, o método proposto oferece uma plataforma econômica para aplicações quânticas fotônicas.

Os sistemas baseados em quântica prometem computação mais rápida e criptografia mais forte para sistemas de computação e comunicação. Esses sistemas podem ser construídos em redes de fibra envolvendo nós interconectados que consistem em qubits e geradores de fótons únicos que criam pares de fótons emaranhados.

A este respeito, átomos e íons de terras raras (TR) em materiais de estado sólido são altamente promissores como geradores de fótons únicos. Esses materiais são compatíveis com redes de fibra e emitem fótons em uma ampla faixa de comprimentos de onda. Devido à sua ampla faixa espectral, as fibras ópticas dopadas com esses elementos RE podem ser utilizadas em diversas aplicações, como telecomunicações em espaço livre, telecomunicações baseadas em fibra, geração quântica de números aleatórios e análise de imagens de alta resolução. No entanto, até agora, fontes de luz de fóton único foram desenvolvidas usando materiais cristalinos dopados com RE em temperaturas criogênicas, o que limita as aplicações práticas de redes quânticas baseadas nelas.

Para fabricar a fibra óptica dopada com itérbio, os pesquisadores afinaram uma fibra dopada com itérbio disponível comercialmente usando uma técnica de calor e tração, onde uma seção da fibra é aquecida e depois puxada com tensão para reduzir gradualmente seu diâmetro.

Dentro da fibra cônica, átomos RE individuais emitem fótons quando excitados com um laser. A separação entre estes átomos RE desempenha um papel crucial na definição das propriedades ópticas da fibra. Por exemplo, se a separação média entre os átomos RE individuais exceder o limite de difração óptica, que é determinado pelo comprimento de onda dos fótons emitidos, a luz emitida por esses átomos parece vir de aglomerados e não de fontes individuais distintas.

Para confirmar a natureza desses fótons emitidos, os pesquisadores empregaram um método analítico conhecido como autocorrelação, que avalia a semelhança entre um sinal e sua versão atrasada. Ao analisar o padrão de fótons emitidos usando autocorrelação, os pesquisadores observaram emissões não ressonantes e obtiveram evidências de emissão de fótons do único íon itérbio no filtro dopado.

Embora a qualidade e a quantidade dos fótons emitidos possam ser melhoradas ainda mais, a fibra óptica desenvolvida com átomos de itérbio pode ser fabricada sem a necessidade de sistemas de resfriamento caros. Isto supera um obstáculo significativo e abre portas para várias tecnologias de informação quântica de próxima geração. “Demonstramos uma fonte de luz de fóton único de baixo custo com comprimento de onda selecionável e sem a necessidade de sistema de resfriamento. No futuro, pode permitir várias tecnologias de informação quântica de próxima geração, como geradores de números aleatórios verdadeiros, comunicação quântica, operações lógicas quânticas e análise de imagens de alta resolução além do limite de difração”, conclui o Dr.