Uma invenção ultrafina pode tornar as tecnologias futuras de computação, sensoriamento e criptografia notavelmente menores e mais poderosas, ajudando os cientistas a controlar um fenômeno estranho, mas útil, da mecânica quântica, de acordo com uma nova pesquisa publicada recentemente na revista Science .
Cientistas do Sandia National Laboratories e do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz relataram um dispositivo que poderia substituir uma sala cheia de equipamentos para ligar fótons em um efeito quântico bizarro chamado emaranhamento. Esse dispositivo – um tipo de material de nanoengenharia chamado metasuperfície – abre caminho para emaranhar fótons de maneiras complexas que não eram possíveis com tecnologias compactas.

Quando os cientistas dizem que os fótons estão emaranhados, eles significam que eles estão ligados de tal forma que as ações em um afetam o outro, não importa onde ou quão distantes os fótons estejam no universo. É um efeito da mecânica quântica, as leis da física que governam as partículas e outras coisas muito pequenas.

Embora o fenômeno possa parecer estranho, os cientistas o aproveitaram para processar informações de novas maneiras. Por exemplo, o emaranhamento ajuda a proteger informações quânticas delicadas e corrigir erros na computação quântica, um campo que algum dia poderá ter impactos abrangentes na segurança nacional, ciência e finanças. O emaranhamento também está permitindo métodos de criptografia novos e avançados para comunicação segura.

A pesquisa para o dispositivo inovador, que é cem vezes mais fino que uma folha de papel, foi realizada, em parte, no Centro de Nanotecnologias Integradas, uma instalação do usuário do Departamento de Energia do Escritório de Ciências operada pelos laboratórios nacionais Sandia e Los Alamos. A equipe de Sandia recebeu financiamento do programa Office of Science, Basic Energy Sciences.

A luz entra, os fótons emaranhados saem

A nova metasuperfície atua como uma porta de entrada para esse fenômeno quântico incomum. De certa forma, é como o espelho em "Through the Looking-Glass", de Lewis Carrol, através do qual a jovem protagonista Alice experimenta um mundo novo e estranho.

Em vez de percorrer seu novo dispositivo, os cientistas lançam um laser através dele. O feixe de luz passa por uma amostra ultrafina de vidro coberta por estruturas em nanoescala feitas de um material semicondutor comum chamado arsenieto de gálio.

"Isso embaralha todos os campos ópticos", disse o cientista sênior da Sandia, Igal Brener, especialista em um campo chamado óptica não linear que liderou a equipe Sandia. Ocasionalmente, disse ele, um par de fótons emaranhados em diferentes comprimentos de onda emergem da amostra na mesma direção do feixe de laser que chega.

Brener disse que está animado com este dispositivo porque ele foi projetado para produzir teias complexas de fótons emaranhados - não apenas um par de cada vez, mas vários pares emaranhados juntos, e alguns que podem ser indistinguíveis uns dos outros. Algumas tecnologias precisam dessas variedades complexas do chamado multi-emaranhamento para esquemas sofisticados de processamento de informações.

Outras tecnologias em miniatura baseadas em fotônica de silício também podem emaranhar fótons, mas sem o nível tão necessário de multiemaranhamento complexo. Até agora, a única maneira de produzir tais resultados era com várias mesas cheias de lasers, cristais especializados e outros equipamentos ópticos.

“É bastante complicado e intratável quando esse emaranhado múltiplo precisa de mais de dois ou três pares”, disse Brener. “Essas metasuperfícies não lineares essencialmente realizam essa tarefa em uma amostra quando antes seriam necessárias configurações ópticas incrivelmente complexas”.

O artigo da Science descreve como a equipe ajustou com sucesso sua metasuperfície para produzir fótons emaranhados com comprimentos de onda variados, um precursor crítico para gerar vários pares de fótons intrincadamente emaranhados simultaneamente.

No entanto, os pesquisadores observam em seu artigo que a eficiência de seu dispositivo – a taxa na qual eles podem gerar grupos de fótons emaranhados – é menor do que a de outras técnicas e precisa ser aprimorada.

O que é uma metasuperfície?

Uma metasuperfície é um material sintético que interage com a luz e outras ondas eletromagnéticas de maneiras que os materiais convencionais não conseguem. As indústrias comerciais, disse Brener, estão ocupadas desenvolvendo metasuperfícies porque ocupam menos espaço e podem fazer mais com a luz do que, por exemplo, uma lente tradicional.

"Agora você pode substituir lentes e elementos ópticos grossos por metasuperfícies", disse Brener. "Esses tipos de metasuperfícies vão revolucionar os produtos de consumo."

Sandia é uma das principais instituições do mundo realizando pesquisas em metasuperfícies e metamateriais. Entre o complexo de Engenharia, Ciência e Aplicações de Microssistemas, que fabrica semicondutores compostos, e o Centro de Nanotecnologias Integradas nas proximidades, os pesquisadores têm acesso a todas as ferramentas especializadas necessárias para projetar, fabricar e analisar esses novos materiais ambiciosos.

“O trabalho foi desafiador, pois exigia tecnologia de nanofabricação precisa para obter as ressonâncias ópticas nítidas de banda estreita que semeia o processo quântico do trabalho”, disse Sylvain Gennaro, ex-pesquisador de pós-doutorado em Sandia que trabalhou em vários aspectos do projeto.

O dispositivo foi projetado, fabricado e testado por meio de uma parceria entre Sandia e um grupo de pesquisa liderado pela física Maria Chekhova, especialista em emaranhamento quântico de fótons do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz.

“As metasuperfícies estão levando a uma mudança de paradigma na óptica quântica, combinando fontes ultrapequenas de luz quântica com possibilidades de longo alcance para engenharia de estado quântico”, disse Tomás Santiago-Cruz, membro da equipe Max Plank e primeiro autor do artigo.

Brener, que estuda metamateriais há mais de uma década, disse que esta pesquisa mais recente poderia desencadear uma segunda revolução – uma que vê esses materiais desenvolvidos não apenas como um novo tipo de lente, mas como uma tecnologia para processamento de informações quânticas e outras novas aplicações. .

"Houve uma onda com metasuperfícies que já está bem estabelecida e a caminho. Talvez haja uma segunda onda de aplicações inovadoras chegando", disse ele. + Explorar mais

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