As rodovias óticas para a luz estão no centro das comunicações modernas. Mas quando se trata de guiar blips individuais de luz chamados fótons, trânsito confiável é muito menos comum. Agora, uma colaboração de pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI), liderado pelos Fellows JQI Mohammad Hafezi e Edo Waks, criou um chip fotônico que gera fótons únicos, e os orienta. O dispositivo, descrito na edição de 9 de fevereiro de Ciência , apresenta uma maneira de a luz quântica se mover perfeitamente, não afetados por certos obstáculos.

"Este projeto incorpora idéias bem conhecidas que protegem o fluxo de corrente em certos dispositivos elétricos, "diz Hafezi." Aqui, criamos um ambiente análogo para fótons, aquele que protege a integridade da luz quântica, mesmo na presença de certos defeitos. "

O chip começa com um cristal fotônico, que é um estabelecido, tecnologia versátil usada para criar estradas para a luz. Eles são feitos por furos em uma folha de semicondutor. Para fótons, o padrão repetido de orifícios se parece muito com um cristal real feito de uma grade de átomos. Os pesquisadores usam diferentes padrões de orifícios para mudar a maneira como a luz se curva e ricocheteia no cristal. Por exemplo, eles podem modificar os tamanhos dos orifícios e separações para fazer faixas restritas de viagem que permitem a passagem de certas cores claras, enquanto proíbe outros.

As vezes, mesmo nesses dispositivos cuidadosamente fabricados, existem falhas que alteram a rota pretendida da luz, fazendo com que ele desvie para uma direção inesperada. Mas, em vez de livrar suas fichas de todas as falhas, a equipe JQI mitiga esse problema repensando as formas e o padrão dos orifícios do cristal. No novo chip, eles marcam milhares de orifícios triangulares em um arranjo que lembra o favo de mel de uma abelha. Ao longo do centro do dispositivo, eles mudam o espaçamento dos orifícios, que abre um tipo diferente de via de viagem para a luz. Anteriormente, esses pesquisadores previram que os fótons que se movem ao longo dessa linha de orifícios deslocados devem ser impermeáveis ​​a certos defeitos por causa da estrutura geral do cristal, ou topologia. Quer a pista seja uma estrada em ziguezague ou um tiro reto, o caminho da luz da origem ao destino deve ser assegurado, independentemente dos detalhes da estrada.

A luz vem de pequenas partículas de semicondutores - chamados de emissores quânticos - embutidos no cristal fotônico. Os pesquisadores podem usar lasers para estimular esse material a liberar fótons únicos. Cada emissor pode ganhar energia absorvendo fótons de laser e perder energia cuspindo mais tarde esses fótons, um de cada vez. Os fótons provenientes dos dois estados mais energéticos de um único emissor são de cores diferentes e giram em direções opostas. Para este experimento, a equipe usa fótons de um emissor encontrado perto do centro do chip.

A equipe testou as capacidades do chip mudando primeiro um emissor quântico de seu estado de energia mais baixa para um de seus dois estados de energia mais alta. Após relaxar de volta, o emissor libera um fóton para a faixa de viagem próxima. Eles continuaram esse processo muitas vezes, usando fótons dos dois estados de maior energia. Eles viram que os fótons emitidos pelos dois estados preferiam viajar em direções opostas, que era uma evidência da topologia de cristal subjacente.

Para confirmar que o projeto pode realmente oferecer faixas protegidas de tráfego para fótons individuais, a equipe criou uma curva de 60 graus no padrão de orifícios. Em cristais fotônicos típicos, sem recursos de proteção integrados, tal torção provavelmente faria com que parte da luz refletisse para trás ou se espalhasse em outro lugar. Neste novo chip, a topologia protegeu os fótons e permitiu que eles continuassem seu caminho sem obstáculos.

"Na internet, as informações se movem em pacotes de luz contendo muitos fótons, e perder alguns não te machuca muito ", diz o co-autor Sabyasachi Barik, um estudante de graduação na JQI. "No processamento quântico de informações, precisamos proteger cada fóton individual e garantir que ele não se perca ao longo do caminho. Nosso trabalho pode aliviar algumas formas de perda, mesmo quando o dispositivo não é totalmente perfeito. "

O design é flexível, e poderia permitir que os pesquisadores montassem sistematicamente caminhos para fótons únicos, diz Waks. "Tal abordagem modular pode levar a novos tipos de dispositivos ópticos e permitir interações personalizadas entre emissores de luz quântica ou outros tipos de matéria."