Ilustração de uma arma de fótons. Um ponto quântico (o símbolo amarelo) emite um fóton (pacote de ondas vermelhas) por vez. O ponto quântico está embutido em uma estrutura de cristal fotônico, que é obtido gravando buracos (círculos pretos) em um material semicondutor. Devido aos buracos, os fótons não podem ser emitidos em todas as direções, mas apenas ao longo do guia de ondas, que é formado pela omissão de vários orifícios. Crédito:Søren Stobbe, NBI
As nanoestruturas fotônicas avançadas estão no bom caminho para revolucionar a tecnologia quântica para redes quânticas baseadas na luz. Pesquisadores do Instituto Niels Bohr desenvolveram agora os primeiros blocos de construção necessários para construir circuitos fotônicos quânticos complexos para redes quânticas. Este rápido desenvolvimento em redes quânticas é destacado em um artigo na revista. Natureza .
A tecnologia quântica baseada na luz (fótons) é chamada de fotônica quântica, enquanto a eletrônica é baseada em elétrons. Fótons (partículas de luz) e elétrons se comportam de maneira diferente no nível quântico. Uma entidade quântica é a menor unidade do mundo microscópico. Por exemplo, os fótons são os constituintes fundamentais da luz e dos elétrons da corrente elétrica. Os elétrons são os chamados férmions e podem ser facilmente isolados para conduzir a corrente um elétron de cada vez. Em contraste, os fótons são bósons, que preferem se agrupar. Mas, uma vez que a informação para comunicação quântica baseada em fotônica é codificada em um único fóton, é necessário emitir e enviar um de cada vez.
Maior capacidade de informação
As informações baseadas em fótons têm grandes vantagens; os fótons interagem muito fracamente com o ambiente - ao contrário dos elétrons, portanto, os fótons não perdem muita energia ao longo do caminho e podem, portanto, ser enviados por longas distâncias. Os fótons são, portanto, muito adequados para transportar e distribuir informações e uma rede quântica baseada em fótons será capaz de codificar muito mais informações do que é possível com a tecnologia de computador atual e as informações não poderiam ser interceptadas no caminho.
Muitos grupos de pesquisa em todo o mundo estão trabalhando intensamente neste campo de pesquisa, que está se desenvolvendo rapidamente e de fato os primeiros produtos fotônicos quânticos comerciais estão começando a ser fabricados.
Emissão direcional de fótons. A figura mostra os cálculos da emissão de fótons na nova fonte direcional de fóton único. Se o spin do elétron do ponto quântico apontar para cima, o fóton será emitido em uma direção (azul). Se o spin do elétron do ponto quântico apontar para baixo, o fóton será emitido na direção oposta (vermelho). Crédito:Sahand Mahmoodian e Søren Stobbe, NBI
Controle dos fótons
Um pré-requisito para as redes quânticas é a capacidade de criar um fluxo de fótons únicos sob demanda e os pesquisadores do Instituto Niels Bohr conseguiram fazer exatamente isso.
"Desenvolvemos um chip fotônico, que atua como uma arma de fótons. O chip fotônico consiste em um cristal extremamente pequeno com 10 mícrons de largura e 160 nanômetros de espessura. Embutida no meio do chip está uma fonte de luz, que é o chamado ponto quântico. Iluminar o ponto quântico com luz laser excita um elétron, que pode então saltar de uma órbita para outra e assim emitir um único fóton por vez. Os fótons são geralmente emitidos em todas as direções, mas o chip fotônico é projetado para que todos os fótons sejam enviados através de um guia de ondas fotônico, "explica Peter Lodahl, professor e chefe do grupo de pesquisa de Fotônica Quântica no Instituto Niels Bohr, Universidade de Copenhague.
Em muito tempo, processo laborioso, o grupo de pesquisa desenvolveu e testou o chip fotônico até que ele alcançou extrema eficiência e Peter Lodahl explica que foi particularmente surpreendente que eles puderam fazer a emissão de fótons ocorrer de uma forma que não se pensava ser possível. Normalmente, os fótons são transmitidos em ambas as direções no guia de onda fotônico, mas em seu chip fotônico feito sob medida eles podiam quebrar essa simetria e fazer o ponto quântico diferenciar entre emitir um fóton para a direita ou para a esquerda, isso significa emitir fótons direcionais. Isso significa controle total sobre os fótons e os pesquisadores estão começando a explorar como construir sistemas de rede quântica completos com base na nova descoberta.
"Os fótons podem ser enviados a longas distâncias por meio de fibras ópticas, onde passam zunindo pelas fibras com muito pouca perda. Você poderia construir uma rede onde os fótons conectam pequenos sistemas quânticos, que são então ligados em uma rede quântica - uma internet quântica, "explica Peter Lodahl.
Ele acrescenta que embora as primeiras funcionalidades básicas já sejam uma realidade, o grande desafio agora é expandi-los para grandes, redes quânticas complexas.
