O armazenamento de informações quânticas é fundamental para o futuro da computação quântica e da Internet quântica global. Os sistemas de comunicação quântica atuais enfrentam o problema da perda de sinal em longas distâncias, o que limita a distância de transmissão da informação quântica. A memória quântica ajuda a resolver esse problema, possibilitando repetidores quânticos, permitindo que as informações saltem pela rede por meio de comutação emaranhada, em vez de desaparecer.
Um novo estudo publicado em Luz: Ciência e Aplicações São relatados progressos significativos nesta área. Pesquisadores da Universidade Humboldt de Berlim, do Instituto Leibniz de Tecnologia Fotônica e da Universidade de Stuttgart revelaram um novo tipo de memória quântica feita de estruturas nanoimpressas em 3D chamadas “gaiolas de luz” cheias de vapor atômico. Ao integrar luz e átomos em um único chip, a equipe criou uma plataforma projetada para escalabilidade e integração perfeita em sistemas fotônicos quânticos.
O que torna as gaiolas leves diferentes
As gaiolas de luz são guias de ondas ocas projetadas para guiar a luz com firmeza e, ao mesmo tempo, permitir o acesso ao espaço interior. Este design oferece vantagens importantes em relação às fibras ocas tradicionais, que podem levar meses para serem preenchidas com vapor atômico. Em contraste, a estrutura aberta da gaiola óptica permite que os átomos de césio se difundam mais rapidamente no núcleo, encurtando o processo de enchimento para dias sem sacrificar o desempenho óptico.
As estruturas foram fabricadas usando litografia de polimerização de dois fótons e sistemas comerciais de impressão 3D. Este método permite que os pesquisadores imprimam guias de onda ocos complexos diretamente em chips de silício com precisão extremamente alta. Para evitar que o dispositivo reaja quimicamente com o césio, o guia de ondas é revestido com uma camada protetora. Os testes não mostraram sinais de degradação do desempenho mesmo após cinco anos de operação, ressaltando a estabilidade do sistema a longo prazo.
“Criamos uma estrutura orientadora que permite a rápida difusão de gases e líquidos em seu núcleo, com a versatilidade e reprodutibilidade oferecida pelo processo de nanoimpressão 3D”, explicou a equipe de pesquisa. “Isso torna a plataforma verdadeiramente escalável, não apenas para a fabricação intra-chip de guias de onda, mas também para a fabricação inter-chip de múltiplos chips com as mesmas propriedades.”
Convertendo luz em informação quântica armazenada
Dentro da gaiola óptica, os pulsos de luz incidentes são eficientemente convertidos em excitações coletivas dos átomos circundantes. Após um tempo de armazenamento selecionado, um laser de controle reverte esse processo e libera a luz armazenada exatamente quando necessário. Numa demonstração importante, os investigadores conseguiram armazenar pulsos de luz muito fracos contendo apenas alguns fotões durante centenas de nanossegundos. Eles acreditam que esta abordagem poderia eventualmente ser ampliada para armazenar fótons únicos por muitos milissegundos.
Outro marco importante é a integração de múltiplas memórias de fotocélulas em um único chip dentro de uma célula de vapor de césio. As medições mostram que diferentes gaiolas ópticas com o mesmo design fornecem desempenho de memória quase idêntico em dois dispositivos separados no mesmo chip. Este nível de consistência é fundamental para a construção de sistemas quânticos escaláveis.
A forte reprodutibilidade vem da precisão do processo de nanoimpressão 3D. A variação dentro de um único chip permanece abaixo de 2 nanômetros, enquanto a variação entre chips permanece abaixo de 15 nanômetros. Esse controle rígido é crucial para a multiplexação espacial, uma técnica que pode aumentar significativamente o número de memórias quânticas que podem ser executadas simultaneamente em um dispositivo.
Impacto nas redes quânticas e na computação
A memória quântica de gaiola óptica resolve vários desafios de longa data na tecnologia quântica. Em uma rede de repetidores quânticos, eles podem sincronizar vários fótons únicos simultaneamente, melhorando significativamente a eficiência das comunicações quânticas de longa distância. Na computação quântica fotônica, a memória fornece a latência controlada necessária para operações feedforward em sistemas de computação quântica baseados em medição.
A plataforma também se destaca pela praticidade. Ao contrário de muitas tecnologias concorrentes, ele opera ligeiramente acima da temperatura ambiente e não requer resfriamento criogênico ou dispositivos complexos de captura de átomos. Isso facilita a implantação do sistema e, ao mesmo tempo, fornece maior largura de banda para cada modo de memória. A capacidade de produzir muitas memórias quânticas idênticas em um único chip abre um caminho claro para a integração fotônica quântica em grande escala.
Devido ao seu processo de fabricação flexível, a tecnologia tem potencial para ser combinada com acoplamento direto de fibra e componentes fotônicos existentes. Essas vantagens tornam as memórias quânticas de gaiola óptica um forte candidato para a futura infraestrutura de comunicações quânticas.
Um caminho escalonável a seguir
O desenvolvimento da memória quântica de gaiola óptica marca um passo importante na pesquisa fotônica quântica. Ao combinar a nanoimpressão 3D avançada com os princípios básicos da óptica quântica, os pesquisadores criaram um sistema compacto e escalonável que poderia acelerar a chegada de redes quânticas práticas e de computadores quânticos mais poderosos.
