A fonte de luz emaranhada está totalmente no chip

Pares de fótons emaranhados são um ingrediente-chave de computadores quânticos fotônicos, sistemas de distribuição de chaves quânticas e muitos projetos de redes quânticas. A produção de fótons emaranhados sob demanda geralmente requer lasers volumosos e procedimentos de alinhamento prolongados – e isso limita a viabilidade comercial dessas tecnologias. Agora, uma equipe de pesquisadores na Alemanha e na Holanda usou uma nova arquitetura para combinar várias tecnologias fotônicas integradas em um único dispositivo. O resultado é uma fonte completa de fótons emaranhados em um chip que tem aproximadamente o tamanho de uma moeda de um euro.

“Este chip é muito fácil de usar”, diz membro da equipe Raktim Haldar, que é pesquisador de pós-doutorado na Leibniz University Hannover. “Basta conectá-lo e ligá-lo, e ele pode gerar os fótons quânticos – você não precisa de mais nada ou de qualquer outro conhecimento.” Ele acrescenta que, no futuro, a fonte poderá ser encontrada em todos os processadores quânticos ópticos, da mesma forma que as baterias de íon-lítio são encontradas em todos os sistemas eletrônicos atuais.

Os bits quânticos fotônicos (qubits) são uma das várias tecnologias que estão competindo para se tornar a base dos futuros computadores quânticos. Eles oferecem várias vantagens sobre outros tipos de qubits, incluindo aqueles baseados em dispositivos supercondutores e átomos ou íons presos. Por exemplo, os qubits fotônicos não precisam ser resfriados a temperaturas criogênicas e são menos suscetíveis ao ruído ambiental que pode destruir sistemas quânticos delicados.

Difícil de enredar

Por outro lado, os qubits fotônicos são mais suscetíveis a perdas e são muito mais difíceis de emaranhar – sendo este último necessário para cálculos que envolvem mais de um qubit por vez.

A fotônica integrada, na qual os fótons são confinados a viajar em guias de onda de largura de mícron impressos em chips, oferece uma maneira de melhorar os computadores quânticos baseados em luz

“Computadores quânticos fotônicos têm um grande problema com perdas”, diz Elizabeth Goldschmidt, um professor de óptica quântica da Universidade de Illinois Urbana Champaign que não esteve envolvido na criação da nova fonte. “Como as interfaces são particularmente com perdas, ir para o chip é muito importante.”

Em sua pesquisa mais recente, Haldar e seus colegas criaram um sistema fotônico em um chip que gera fótons emaranhados. Consiste em três componentes principais: um laser; um filtro que garante a estabilidade do laser em uma faixa de frequência estreita; e um meio não linear gerando pares de fótons emaranhados. Enquanto lasers e fontes de luz quântica que requerem um laser externo já foram criados no chip antes, colocar ambos no mesmo chip tem sido um desafio. Isso ocorre porque os materiais usados ​​para laser são diferentes daqueles necessários para filtragem e geração de pares emaranhados, e os processos de fabricação dos dois materiais são geralmente incompatíveis.

Integração híbrida

A equipe superou essa incompatibilidade usando uma técnica chamada integração híbrida. O meio de ganho usado para o laser foi feito de fosfeto de índio, enquanto os componentes de filtragem e geração de fótons foram feitos de nitreto de silício. Para unir os dois, a equipe usou a experiência de Klaus Bollerdo grupo da Universidade de Twente. A equipe de Boller é adepta de colar diferentes chips juntos com sutileza suficiente para que os componentes microscópicos de guiamento de luz se alinhem e se conectem tão perfeitamente que quase nenhuma luz seja perdida na interface. Para evitar a reflexão na interface, eles adicionaram um revestimento antirreflexo e ladrilharam a extremidade do guia de onda de fosfeto de índio para cima do chip em 9°. Isso permitiu que eles alcançassem menos de 0.01 dB de perda na interface.

O emaranhamento de fótons revivido pode melhorar a comunicação e a imagem quântica   

Para ajudar na integração perfeita de todos os componentes, a equipe escolheu um projeto no qual o meio de ganho do laser, filtro e guias de onda de geração de pares de fótons estão todos contidos dentro da cavidade do laser. “Eles criaram um esquema inteligente para integrar a filtragem e a produção de pares nos mesmos anéis de nitreto de silício e o laser no mesmo chip, o que é muito legal”, explica Goldschmidt.

Projetar todo o mecanismo dentro da cavidade do laser não foi uma tarefa fácil. Em particular, o filtro que eles empregaram não foi adaptado para fins de luz quântica e eles trabalharam duro para adaptá-lo. “A perda deve ser igual ao ganho total para manter a ação do laser”, diz Haldar, “e esse é um desafio técnico muito difícil. Se um intervalo entre dois guias de onda for, digamos, 200 nm, alterá-lo para apenas 180 nm pode fazer com que todo o chip não funcione.”

O chip cria pares de fótons emaranhados de frequência com 99% de fidelidade, cerca de 1000 vezes por segundo. A equipe agora está trabalhando para estender os recursos fotônicos no chip para incluir a criação de estados de cluster multifotônicos. Esses são estados que compreendem vários fótons emaranhados que podem ser usados ​​como qubits efetivos que são menos suscetíveis a perdas. A criação de estados de cluster efetivos é um problema aberto difícil na computação quântica. Goldschmidt diz: “multiplexar várias dessas fontes no mesmo chip é um caminho muito claro e permite que você emaranhe mais graus de liberdade e construa estados emaranhados mais complicados”.

Eles descreveram seus resultados em Nature Photonics.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/entangled-light-source-is-fully-on-chip/