Uma equipe polonesa-britânica de físicos construiu e testou um compacto, conversor eficiente capaz de modificar as propriedades quânticas de fótons individuais. O novo dispositivo deve facilitar a construção de computadores quânticos complexos, e no futuro pode se tornar um elemento importante nas redes quânticas globais, os sucessores da Internet de hoje.

Internet quântica e computadores quânticos híbridos, construído a partir de subsistemas que operam por meio de fenômenos físicos, são agora mais do que apenas matéria de imaginação. Em um artigo publicado em Nature Photonics , físicos da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia (FUW) e da Universidade de Oxford relatam o desenvolvimento de um elemento-chave de tais sistemas:um dispositivo eletro-óptico que permite que as propriedades de fótons individuais sejam modificadas. Ao contrário das construções de laboratório existentes, este novo dispositivo funciona com eficiência anteriormente inatingível e ao mesmo tempo estável, confiável e compacto.

Construir um dispositivo eficiente para modificar o estado quântico de fótons individuais foi uma tarefa excepcionalmente desafiadora, dadas as diferenças fundamentais entre a computação clássica e quântica.

Os sistemas de computação contemporâneos são baseados no processamento de grupos de bits, cada um dos quais está em um estado específico:0 ou 1. Grupos de tais bits são continuamente transferidos entre diferentes subcomponentes dentro de um único computador, e entre diferentes computadores na rede. Podemos ilustrar isso figurativamente, imaginando uma situação em que bandejas de moedas estão sendo movidas de um lugar para outro, com cada moeda mostrando cara ou coroa.

As coisas são mais complicadas na computação quântica, que conta com o fenômeno da superposição de estados. Um bit quântico, conhecido como qubit, pode estar no estado 1 e no estado 0 ao mesmo tempo. Para estender a metáfora das moedas, isso é análogo a uma situação em que cada moeda está girando em sua borda. O processamento de informações pode ser descrito como processamento "quântico", desde que essa superposição de estados seja mantida durante todas as operações - em outras palavras, desde que nenhuma das moedas saia do estado de rotação enquanto a bandeja está sendo movida.

"Nos últimos anos, os físicos descobriram como gerar pulsos de luz com um comprimento de onda específico ou polarização, consistindo em um único quantum - ou excitação - do campo eletromagnético. E então, hoje, sabemos como gerar precisamente qualquer tipo de "moedas giratórias" quânticas que quisermos, "diz o Dr. Michal Karpinski do Instituto de Física Experimental (FUW), um dos autores da publicação. "Mas alcançar uma coisa sempre deixa você querendo mais. Se agora temos quanta de luz individuais com propriedades específicas, seria útil modificar essas propriedades. A tarefa é, portanto, pegar uma moeda de prata giratória e movê-la de um lugar para outro, ao mesmo tempo que a transformamos em uma moeda de ouro com rapidez e precisão, naturalmente, sem derrubá-lo. Você pode ver facilmente que o problema não é trivial. "

Os métodos existentes de modificação de fótons individuais utilizaram técnicas ópticas não lineares - na prática, tentativa de forçar um fóton individual a interagir com um feixe de bomba óptica muito forte. Se o fóton realmente é modificado é uma questão de puro acaso. Além disso, o espalhamento do feixe da bomba pode contaminar o fluxo de fótons individuais. Na construção do novo dispositivo, o grupo da Universidade de Varsóvia e da Universidade de Oxford decidiu usar um fenômeno físico diferente:o efeito eletro-óptico que ocorre em certos cristais. Ele fornece uma maneira de alterar o índice de refração da luz no cristal, variando a intensidade de uma força magnética externa que é aplicada a ele (em outras palavras, sem a introdução de fótons adicionais).

"É bastante surpreendente que, a fim de modificar as propriedades quânticas de fótons individuais, podemos aplicar com sucesso técnicas muito semelhantes às usadas em telecomunicações de fibra óptica padrão, "Dr. Karpinski diz.

Usando o novo dispositivo, os pesquisadores alcançaram um alongamento de seis vezes da duração de um pulso de fóton único sem interromper a superposição quântica, o que significa automaticamente um estreitamento de seu espectro. O que é particularmente importante é que toda a operação foi realizada preservando uma eficiência de conversão muito alta. Os conversores existentes operaram apenas em condições de laboratório e só foram capazes de modificar um em várias dezenas de fótons. O novo dispositivo funciona com eficiência superior a 30 por cento, até 200 vezes melhor do que certas soluções existentes, mantendo um baixo nível de ruído.

"Em essência, processamos cada fóton que entra no cristal. A eficiência é inferior a 100 por cento, não por causa da física do fenômeno, mas por conta de perdas difíceis de evitar de natureza puramente técnica, aparecendo, por exemplo, quando a luz entra ou sai das fibras ópticas, "explica o aluno de doutorado Michal Jachura (FUW).

O novo conversor não é apenas eficiente e de baixo ruído, mas também estável e compacto. O dispositivo pode estar contido em uma caixa de cerca de 10 cm (4 pol.), fácil de instalar em um sistema de fibra óptica canalizando fótons individuais. Esse dispositivo pode permitir a construção de coisas como computadores quânticos híbridos, os subcomponentes individuais dos quais processariam informações usando diferentes plataformas físicas e fenômenos quânticos. Atualmente, tentativas estão sendo feitas para construir computadores quânticos usando coisas como íons presos, elétron gira em diamante, pontos quânticos, circuitos elétricos supercondutores, e nuvens atômicas. Cada sistema interage com a luz de propriedades diferentes, que, na prática, exclui a transmissão óptica de informações quânticas entre diferentes sistemas. O novo conversor, por outro lado, pode transformar com eficiência pulsos de luz de fóton único compatíveis com um sistema em pulsos compatíveis com outro. Os cientistas estão, portanto, trabalhando em redes quânticas, ambos os pequenos dentro de um único computador quântico (ou subcomponente dele), e os globais, que fornecem uma maneira de enviar dados com total segurança entre computadores quânticos situados em diferentes partes do mundo.