Uma maneira mais simples de conectar computadores quânticos

Um novo dispositivo atômico envia informações quânticas de alta fidelidade por redes de fibra óptica

Universidade de Princeton, Escola de Engenharia

imagem: Pesquisadores da Universidade de Princeton criaram uma nova maneira de conectar computadores quânticos com sinais de alta fidelidade usando comprimentos de onda de luz em banda de telecomunicações.Veja mais

Crédito: Foto de Sameer A. Khan/Fotobuddy

Os pesquisadores têm uma nova maneira de conectar dispositivos quânticos a longas distâncias, um passo necessário para permitir que a tecnologia desempenhe um papel nos futuros sistemas de comunicação.

Embora os sinais de dados clássicos de hoje possam ser amplificados através de uma cidade ou oceano, os sinais quânticos não podem. Eles devem ser repetidos em intervalos – isto é, interrompidos, copiados e repassados ​​por máquinas especializadas chamadas repetidores quânticos. Muitos especialistas acreditam que esses repetidores quânticos desempenharão um papel fundamental nas futuras redes de comunicação, permitindo maior segurança e possibilitando conexões entre computadores quânticos remotos.

O estudo de Princeton, publicado em 30 de agosto na Nature, detalha a base para uma nova abordagem para a construção de repetidores quânticos. Ele envia luz pronta para telecomunicações emitida por um único íon implantado em um cristal. O esforço levou muitos anos para ser feito, de acordo com Jeff Thompson, principal autor do estudo. O trabalho combinou avanços no design fotônico e na ciência dos materiais.

Outros projetos líderes de repetidores quânticos emitem luz no espectro visível, que se degrada rapidamente na fibra óptica e deve ser convertida antes de viajar longas distâncias. O novo dispositivo é baseado em um único íon de terras raras implantado em um cristal hospedeiro. E como esse íon emite luz em um comprimento de onda infravermelho ideal, não requer essa conversão de sinal, o que pode levar a redes mais simples e robustas.

O dispositivo tem duas partes: um cristal de tungstato de cálcio dopado com apenas um punhado de íons de érbio e um pedaço nanoscópico de silício gravado em um canal em forma de J. Pulsado com um laser especial, o íon emite luz através do cristal. Mas a peça de silício, um semicondutor preso no topo do cristal, captura e guia os fótons individuais para o cabo de fibra óptica.

Idealmente, este fóton seria codificado com informações do íon, disse Thompson. Ou mais especificamente, de uma propriedade quântica do íon chamada spin. Em um repetidor quântico, coletar e interferir nos sinais de nós distantes criaria um emaranhamento entre seus spins, permitindo a transmissão ponta a ponta de estados quânticos, apesar das perdas ao longo do caminho.

A equipe de Thompson começou a trabalhar com íons de érbio vários anos antes, mas as primeiras versões usavam cristais diferentes que continham muito ruído. Em particular, este ruído fez com que a frequência dos fotões emitidos saltasse aleatoriamente num processo conhecido como difusão espectral. Isso evitou a delicada interferência quântica necessária para operar redes quânticas. Para resolver esse problema, seu laboratório começou a trabalhar com Nathalie de Leon, professora associada de engenharia elétrica e de computação, e Robert Cava, um importante cientista de materiais de estado sólido e professor de química Russell Wellman Moore de Princeton, para explorar novos materiais que poderiam hospedar únicos íons de érbio com muito menos ruído.

Eles peneiraram a lista de materiais candidatos de centenas de milhares para algumas centenas, depois algumas dúzias e depois três. Cada um dos três finalistas levou meio ano para testar. O primeiro material acabou não sendo suficientemente claro. A segunda fez com que o érbio tivesse propriedades quânticas pobres. Mas o terceiro, o tungstato de cálcio, estava certo.

Para demonstrar que o novo material é adequado para redes quânticas, os pesquisadores construíram um interferômetro onde os fótons passam aleatoriamente por um de dois caminhos: um caminho curto com vários metros de comprimento ou um caminho longo com 35 quilômetros de comprimento (feito de bobina óptica). fibra). Os fótons emitidos pelo íon podem percorrer o caminho longo ou curto e, cerca de metade das vezes, fótons consecutivos seguem caminhos opostos e chegam à saída ao mesmo tempo.