Efeitos da mecânica quântica, incluindo o emaranhamento de duas partículas (um fenômeno no qual estados separados
Dois grupos independentes de pesquisadores anunciaramcriando fontes de fótons únicos que são necessários para a transmissão de dados em uma rede quântica. Pesquisadores alemães do Instituto Max Planck de Óptica Quântica e da Universidade Técnica de Munique usaram átomos de érbio embutidos em um cristal de silício, que produzem luz com uma frequência correspondente às redes de comunicação modernas.
E engenheiros do Instituto de Tecnologia de MassachusettsInstituto utiliza nanocristais de perovskita, cuja produção é fácil de escalar. No entanto, eles não requerem resfriamento extremo e podem operar em temperatura ambiente.
O que é uma rede quântica?
Computadores quânticos podem, teoricamente, realizartarefas que não podem ser resolvidas nem mesmo nos supercomputadores mais poderosos do mundo. Eles podem ser usados para modelar as propriedades de materiais e sistemas complexos. Mas, para alcançar resultados verdadeiramente significativos, precisamos de uma maneira eficiente de conectar nós de informações quânticas - processadores quânticos distribuídos.
Como os computadores quânticos são fundamentalmentediferem dos clássicos, os métodos usuais utilizados para transmitir informações não lhes são diretamente aplicáveis. A informação quântica é mais complexa: em vez de armazenar apenas o valor 0 ou 1, como nos computadores clássicos, um qubit pode assumir simultaneamente os valores 0 e 1 (fenômeno conhecido como superposição).
A solução ideal é uma rede quântica −um composto no qual é realizada uma troca direta de qubits de informação com a preservação das propriedades da mecânica quântica. A rede quântica liga os nós de processamento com fótons que passam por interconexões especiais conhecidas como guias de onda.
A vantagem dessa conexão é queos dispositivos quânticos se comunicam diretamente, permitindo um processamento de dados mais rápido. Além disso, essas redes podem ser usadas para transmissão segura de dados: assim que um invasor tentar interceptar as informações "codificadas" em fótons, as propriedades quânticas das partículas serão perdidas e os dados ficarão inutilizáveis.
Átomos de érbio em um cristal de silício
Ressonador quântico baseado em um cristal de silício. Imagem: MCQST
Engenheiros alemães desenvolveram um sistema ópticoum ressonador para redes quânticas baseado em um cristal de silício dopado com átomos de érbio. O desenvolvimento segue um estudo anterior do mesmo grupo sobre a incorporação de átomos individuais de terras raras em silício cristalino usando uma temperatura relativamente baixa (cerca de 500°C) para garantir que um grande número de átomos de érbio não se agrupem na rede de silício.
Em um novo estudo cujos resultadospublicado na revista Optica, os pesquisadores mostraram que usando tais cristais é possível gerar fótons individuais com as propriedades desejadas. Átomos de érbio colocados em um cristal de silício têm excelentes propriedades ópticas, observam os autores do estudo. Eles emitem luz com um comprimento de onda de 1536 nm. Isso é quase idêntico à luz que é usada para transmitir dados em redes de fibra óptica clássicas.
Engenheiros desenvolveram um ressonador dopadoerbium, que difere dos designs convencionais por não conter espelhos. Em vez disso, é usado um padrão regular de orifícios de tamanho nanométrico em silício cristalino. Isso significa que todo o ressonador tem apenas alguns mícrons de comprimento e contém apenas algumas dezenas de átomos de érbio. Ao conectar um ressonador a uma fibra óptica e excitar átomos com um laser, os pesquisadores demonstraram que fótons individuais com as características desejadas podem ser emitidos.
Os pesquisadores observam dois benefícios principais,o que, segundo eles, torna o silício dopado com érbio “um candidato ideal para a construção de redes quânticas”. Em primeiro lugar, baseia-se num material clássico amplamente utilizado na produção de semicondutores, o que significa que a criação em larga escala dos componentes necessários não exigirá a criação de novas instalações de produção complexas.
E em segundo lugar, o sistema opera a relativamentetemperatura alta (para tecnologias quânticas) - cerca de 8 K (-265 ° C). Ao contrário dos sistemas que operam perto do zero absoluto, tais condições são mais fáceis de criar através do resfriamento em um criostato com hélio líquido.
Perovskitas como fontes de fótons únicos
Nanocristais de perovskita. Imagem: MIT
Pesquisadores do MIT oferecem uma alternativamaterial para a criação de redes quânticas - perovskitas. Este material já foi amplamente estabelecido como uma alternativa potencial ao silício em células solares. Num estudo publicado na revista Nature Photonics, os engenheiros mostraram que também podem gerar um fluxo de fótons idênticos.
Para suas pesquisas, os físicos usaramnanopartículas de perovskita de chumbo-halita. As células solares utilizam filmes finos deste material e, na forma de nanopartículas, apresentam taxas de emissão criogênica incrivelmente altas, o que as diferencia de outras nanopartículas semicondutoras coloidais. Quanto mais rápida a luz for emitida, maior será a probabilidade de o sinal de saída ter uma função de onda bem definida, necessária para redes quânticas.
Para verificar se os fótons sãogerar, realmente possuem as propriedades desejadas, os pesquisadores realizaram um teste padrão. Consiste na detecção de um tipo especial de interferência entre dois fótons, o efeito Hong-Wu-Mandel. Os resultados do experimento confirmaram que a fonte emite luz quântica.
Os pesquisadores observam que até agora a instalação nãoé perfeito e funciona com interferência, mas eles estão confiantes de que isso pode ser superado colocando perovskitas em uma cavidade óptica - um efeito que funciona com outros materiais.
Ao mesmo tempo, os pesquisadores observam a vantagemtecnologia na facilidade de produção. “A razão pela qual outras fontes são coerentes é porque são feitas dos materiais mais puros e uma por uma, átomo por átomo. Portanto, temos uma escalabilidade e uma reprodutibilidade muito baixas”, diz Alexander Kaplan, coautor do estudo. Em contraste, as nanopartículas de perovskita são feitas em solução e simplesmente depositadas sobre um material de suporte. Além disso, tais fontes operam em temperatura ambiente e não necessitam de resfriamento.
Ambas as tecnologias propostas ainda não estãouma solução pronta para construir redes quânticas. Mas este é um passo na direção certa. O facto de diferentes grupos de investigadores em todo o mundo estarem a desenvolver tecnologias alternativas e a tentar encontrar uma solução que seja relativamente barata e fácil de escalar sugere que as redes quânticas poderão em breve tornar-se uma realidade.
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Imagem da capa: C. Hohmann, MCQST