Fótons de microondas estão emaranhados com fótons ópticos – Physics World

Um protocolo para emaranhar microondas e fótons ópticos foi demonstrado por pesquisadores na Áustria. Isso tem o potencial de ajudar a superar um dos problemas centrais na formação de uma internet quântica, permitindo que circuitos de frequência de micro-ondas troquem informações quânticas por meio de fibras ópticas.

A visão central que sustenta uma internet quântica – articulada pela primeira vez em 2008 por Jeff Kimble da Caltech nos EUA – é que os processadores quânticos em rede podem trocar informações quânticas, assim como os computadores clássicos trocam informações clássicas pela Internet. Transferir informações quânticas é muito mais difícil, no entanto, porque o ruído de fundo pode destruir superposições quânticas em um processo chamado decoerência.

Muitos dos computadores quânticos mais poderosos existentes, como o Osprey da IBM, usam qubits supercondutores. Eles funcionam em frequências de micro-ondas, o que os torna extremamente vulneráveis ​​a interrupções por radiação térmica de fundo – e explica por que precisam ser mantidos em temperaturas criogênicas. Também torna extremamente difícil a transferência de informações entre qubits supercondutores. “[Uma maneira] é construir links ultrafrios”, explica Johannes Fink do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria em Klosterneuburg. “O registro foi apenas publicado em Natureza [de Grupo de Andreas Wallraff na ETH Zurich na Suíça e colegas]: 30 m em 10–50 mK – isso tem alguns desafios para aumentar a escala.” Em contraste, diz ele, “a fibra ótica funciona muito bem para comunicação – nós a usamos o tempo todo quando navegamos na Internet”.

transdução quântica

Um esquema pelo qual a informação quântica poderia ser transferida entre qubits de micro-ondas enviando fótons por fibras ópticas seria, portanto, extremamente valioso. A abordagem mais direta é a transdução quântica, na qual, pela interação com um terceiro fóton, um fóton de micro-ondas é convertido em um fóton óptico que pode ser enviado ao longo das fibras.

Infelizmente, as implementações práticas desse processo também apresentam perda e ruído: “Você envia dez fótons e talvez apenas um deles seja convertido… e talvez seu dispositivo adicione alguns fótons extras porque estava quente ou por algum outro motivo”, diz o PhD de Fink estudante Rishabh Sahu, que é o primeiro autor conjunto em um artigo que descreve esta pesquisa mais recente. “Ambos reduzem a fidelidade da transdução.”

Uma maneira alternativa de transferir informações quânticas é chamada de teletransporte quântico e foi demonstrada experimentalmente pela primeira vez em 1997 pelo grupo de Anton Zeilinger na Universidade de Innsbruck - para o qual Zeilinger compartilhou o Prêmio Nobel de Física de 2022. Quando um qubit interage com um fóton em um par emaranhado, seu próprio estado quântico fica emaranhado com o segundo fóton.

troca de emaranhamento

Uma rede quântica poderia ser produzida em condições ambientais se esse segundo fóton pudesse viajar por uma fibra óptica de baixa perda para interagir com um fóton de transmissão preparado de forma idêntica de um segundo nó de rede por meio de uma chamada medição de estado de Bell. Isso realizaria uma “troca de emaranhamento” entre os qubits supercondutores remotos.

Pares de fótons emaranhados são gerados por um processo chamado down-conversion paramétrico espontâneo, pelo qual um fóton se divide em dois. No entanto, ninguém havia conseguido gerar um par de fótons emaranhados cuja energia diferia por um fator de mais de 10,000. Essa diferença abrange um fóton em um comprimento de onda de telecomunicações ópticas de cerca de 1550 nm; e outro em um comprimento de onda de micro-ondas de cerca de 3 cm.

O grupo de Fink bombeou um ressonador óptico de niobato de lítio que fazia parte de um ressonador de micro-ondas com um laser de alta potência em comprimentos de onda de telecomunicações. A grande maioria da luz do laser simplesmente voltou do ressonador inalterada e foi filtrada. No entanto, aproximadamente um fóton por pulso se divide em dois fótons emaranhados – um de micro-ondas e o outro em um comprimento de onda ligeiramente maior que os fótons da bomba.

A fonte de luz emaranhada está totalmente no chip

“Verificamos esse emaranhamento medindo as covariâncias das duas flutuações do campo eletromagnético. Encontramos correlações ópticas de micro-ondas mais fortes do que o permitido classicamente, o que significa que os dois campos estão em um estado emaranhado”. diz Liu Qiu, pesquisador de pós-doutorado e primeiro autor conjunto no artigo que descreve o trabalho. Os pesquisadores agora esperam estender esse emaranhamento para qubits e fibras de temperatura ambiente, implementar o teletransporte quântico e emaranhar qubits em refrigeradores de diluição separados.

Alexandre Blais da Université de Sherbrooke no Canadá colaborou na obra de Wallraff Natureza papel e ele está impressionado com o trabalho de Fink e do colega, “Normalmente, a ótica e as micro-ondas não se comunicam. A óptica é realmente de alta energia e tende a arruinar as propriedades de coerência quântica de seus circuitos de microondas. Agora [os pesquisadores] têm fótons parados: se eu quiser transferir essa informação para outra geladeira, preciso transferir essa informação para um fóton voador em uma fibra óptica, e haverá perda lá. E esse fóton então tem que percorrer aquela fibra, entrar na segunda geladeira e fazer alguma mágica…Não devemos pensar que isso facilita tudo agora – é só o começo, mas isso não tira a qualidade do experimento. ”

A pesquisa é descrita em Ciência.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/microwave-photons-are-entangled-with-optical-photons/