À medida que os computadores quânticos se tornam mais poderosos, muitos métodos de criptografia atuais podem eventualmente tornar-se vulneráveis. Uma solução promissora é a criptografia quântica, que se baseia nas leis da física, e não na complexidade matemática, para proteger os dados. No entanto, tornar as comunicações quânticas práticas exigirá dispositivos pequenos e confiáveis que possam ler com precisão os sinais quânticos sutis transportados pela luz.
Pesquisadores da Universidade de Pádua, do Politecnico di Milano e do Instituto CNR de Fotônica e Nanotecnologia demonstraram um novo método usando um material inesperado: o vidro borossilicato. relatado em Fotônica Avançadasua pesquisa descreve um receptor quântico coerente de alto desempenho construído diretamente dentro do vidro usando gravação a laser de femtosegundo. Esta abordagem oferece baixa perda óptica, desempenho estável e compatibilidade com os sistemas de fibra óptica existentes, todos importantes para levar as tecnologias quânticas além dos experimentos de laboratório.
Por que o vidro supera o silício em dispositivos quânticos
O processamento de informações quânticas de variável contínua (CV) para distribuição quântica de chaves (QKD) e geração quântica de números aleatórios (QRNG) depende da medição da amplitude e da fase das ondas de luz. Para fazer isso, receptores coerentes combinam sinais quânticos fracos com feixes de referência mais fortes e analisam como eles interferem.
A maioria dos receptores integrados hoje são feitos de silício. Embora o silício seja amplamente utilizado e suporte altos níveis de integração, ele é sensível à polarização e muitas vezes apresenta altas perdas ópticas, o que pode limitar o desempenho e a confiabilidade dos sistemas quânticos.
O vidro oferece diversas vantagens. É naturalmente insensível à polarização, altamente estável e permite que guias de onda sejam escritos em três dimensões com perda mínima de sinal. Usando microusinagem a laser de femtosegundo, os pesquisadores podem criar caminhos condutores de luz diretamente dentro dos materiais, formando circuitos fotônicos compactos sem a necessidade de fabricação complexa de semicondutores.
Laser escreve dentro do receptor quântico
Ao escrever caminhos de luz diretamente em vidro borossilicato, a equipe criou um receptor heteródino totalmente sintonizável, um componente chave do CV-QKD e CV-QRNG. O chip inclui:
- Divisores de feixe fixos e ajustáveis
- Deslocadores de fase termo-ópticos para controle elétrico preciso
- Interseção de guia de onda 3D
- Acopladores direcionais independentes de polarização
Esses recursos permitem que o sinal quântico e o feixe de referência interajam de maneira controlada, possibilitando a medição simultânea de duas ortogonais conjugadas. O dispositivo também exibe:
- Perda de inserção muito baixa (aproximadamente 1 dB)
- Operação independente de polarização
- A taxa de rejeição de modo comum excede 73dB, que tem forte capacidade de suprimir o ruído clássico.
- O desempenho da relação sinal-ruído é estável por pelo menos 8 horas
No geral, esses resultados correspondem ou excedem o desempenho de muitos receptores fotônicos baseados em silício.
Um chip, duas tecnologias quânticas
Como o dispositivo combina baixa perda, capacidade de ajuste e estabilidade, ele pode lidar com múltiplas tarefas de comunicação quântica sem exigir hardware diferente. Quando usado como um detector heteródino, ele habilita um sistema QRNG que é independente do dispositivo de origem, o que significa que permanece seguro mesmo que o sinal óptico de entrada não seja confiável. O chip alcançou uma taxa segura de geração de bits aleatórios de 42,7 Gbit/s, um recorde para este tipo de sistema.
O chip também é usado no protocolo CV-QKD baseado em QPSK, onde as informações são codificadas em uma constelação de estado quântico de quatro pontos. Em um link de fibra simulado de 9,3 km, o sistema alcançou uma taxa chave de 3,2 Mbit/s. Esses resultados demonstram que front-ends fotônicos baseados em vidro podem suportar CV-QKD avançado sem as desvantagens observadas nas plataformas de silício.
A fotônica do vidro avança em direção a aplicações práticas
Além de seu poderoso desempenho, o estudo destaca vários benefícios práticos do uso de vidro em fotônica quântica integrada:
- Estabilidade ambiental: O vidro é inerte e resistente à temperatura e às mudanças mecânicas.
- Acoplamento de fibra de baixa perda: os guias de onda correspondem perfeitamente às dimensões padrão de fibra de telecomunicações.
- Flexibilidade de design 3D: Os circuitos podem incluir crossovers e layouts complexos sem aumentar a perda de sinal.
- Escalabilidade e economia: a escrita a laser de femtossegundos permite prototipagem rápida sem fabricação dispendiosa de semicondutores.
Essas qualidades suportam confiabilidade e durabilidade a longo prazo, o que é importante para implantações no mundo real e até mesmo para aplicações potenciais em sistemas de comunicações quânticas baseados no espaço. Os pesquisadores dizem que a fotônica baseada em vidro pode ajudar a preencher a lacuna entre as configurações experimentais e as redes quânticas reais.
Rumo a redes de comunicação quântica escaláveis
Ao aproveitar essas vantagens, a equipe demonstrou duas aplicações principais em um único chip: um QRNG independente do dispositivo de origem que alcançou uma taxa recorde de geração segura de 42,7 Gbit/s; e um sistema CV-QKD baseado em QPSK que alcançou uma taxa de chave segura de 3,2 Mbit/s em um link de fibra simulado de 9,3 km.
Além desses resultados, este trabalho aponta a fotônica integrada à base de vidro como uma plataforma durável e versátil para futuras tecnologias quânticas. O Glass é estável, econômico e resistente a ambientes agressivos, o que o torna ideal para implantações escaláveis. Esta abordagem poderia ajudar na transição das comunicações quânticas de ambientes laboratoriais controlados para infraestruturas do mundo real, marcando um passo importante no estabelecimento de uma rede quântica global.
