Pesquisadores da Universidade de Iowa descobriram uma nova maneira de “purificar” fótons, um avanço que poderia melhorar o desempenho e a segurança das tecnologias quânticas baseadas em luz. Ao melhorar a forma como a luz de partícula única é produzida, o método visa superar limitações de longa data em sistemas quânticos ópticos.
A equipe se concentrou em resolver dois grandes obstáculos à geração de fluxos confiáveis de fótons únicos, que são críticos para computadores quânticos fotônicos e redes de comunicação seguras.
Um desses desafios é chamado de espalhamento de laser. Este processo também cria fótons adicionais indesejados quando a luz do laser atingindo os átomos desencadeia a liberação de fótons. Essas partículas extras agem como interferência no caminho óptico, reduzindo a eficiência da mesma forma que as correntes parasitas perturbam os circuitos convencionais.
O segundo problema decorre da forma como os átomos às vezes reagem à luz laser. Em casos raros, um átomo emite vários fótons ao mesmo tempo. Quando isso acontece, a ordem precisa necessária para as operações quânticas é quebrada porque os fótons extras interferem no fluxo esperado um por um.
Usando ruído de laser para eliminar luz indesejada
No novo estudo, Matthew Nelson, estudante de pós-graduação do Departamento de Física e Astronomia, descobriu uma conexão inesperada entre as duas questões. Ele descobriu que quando um átomo libera vários fótons, o espectro de comprimento de onda e a forma de onda resultantes correspondem muito aos do próprio laser.
Os investigadores dizem que esta semelhança significa que os dois sinais podem ser cuidadosamente sintonizados para se anularem. Na verdade, a dispersão do laser, que normalmente causa problemas, pode ser usada para suprimir a emissão indesejada de fótons.
“Mostramos que a dispersão de lasers perdidos, muitas vezes considerada um incômodo, pode ser usada para eliminar emissões multifotônicas indesejadas”, disse Ravitej Uppu, professor assistente do Departamento de Física e Astronomia e autor correspondente do estudo. “Este avanço teórico poderia transformar um problema de longa data em uma nova ferramenta poderosa para o avanço das tecnologias quânticas”.
Por que os fótons únicos são importantes para a computação quântica
A computação fotônica depende da luz e não da eletricidade para realizar cálculos, oferecendo potencial para sistemas mais rápidos e eficientes. Os computadores tradicionais operam usando bits, que são fluxos de pulsos elétricos ou de luz que representam 1s ou 0s. Em vez disso, os computadores quânticos usam qubits, que normalmente são partículas subatômicas, como os fótons.
Muitas empresas de tecnologia emergentes acreditam que as plataformas fotônicas desempenharão um papel fundamental no futuro da computação quântica. Fluxos estáveis e bem controlados de fótons únicos são essenciais para concretizar essa visão.
Os fluxos de fótons ordenados são mais fáceis de gerenciar e dimensionar, além de melhorar a segurança. Os pesquisadores comparam isso a colocar os alunos na fila do refeitório, em vez de fazê-los se movimentar em grupos. Da mesma forma, linhas simples de fóton único reduzem o risco de os dados serem interceptados ou espionados.
Controle preciso do fluxo de fótons mais limpo
O controle cuidadoso do feixe de laser é fundamental para o novo método, explicou Upp. “Se pudéssemos controlar exatamente como o feixe de laser atinge os átomos – o ângulo em que chega, a forma do feixe, etc. – poderíamos realmente cancelar todos os fótons extras que os átomos gostam de emitir”, disse ele. “Ficaremos com um fluxo que é realmente muito puro.”
Este trabalho mostra que dois grandes obstáculos para circuitos fotônicos mais rápidos podem, em teoria, ser enfrentados simultaneamente. Se confirmada experimentalmente, a tecnologia poderá ajudar a acelerar o desenvolvimento de computadores quânticos avançados e de sistemas de comunicação mais seguros. Os pesquisadores planejam testar essa ideia em experimentos futuros.
Detalhes do estudo e financiamento
O estudo, “Purificação Assistida por Ruído de Fontes de Fótons Únicos”, foi publicado na revista Óptica quântica.
O financiamento para a pesquisa veio do Gabinete do Subsecretário de Defesa para Pesquisa e Engenharia. O Gabinete do Vice-Chanceler de Pesquisa da Universidade de Iowa forneceu apoio adicional por meio de financiamento inicial por meio do programa P3 para ajudar a lançar o projeto.
