Físicos da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia desenvolveram um dispositivo de memória atômica holográfica capaz de gerar fótons únicos sob demanda em grupos de várias dezenas ou mais. O dispositivo, demonstrado com sucesso na prática, supera um dos obstáculos fundamentais para a construção de um computador quântico.

Completamente seguro, a comunicação quântica de alta velocidade e a computação quântica estão entre as aplicações possíveis para esta nova fonte de fótons únicos. É o primeiro dispositivo que permite a produção sob demanda de um grupo precisamente controlado de fótons, ao contrário de apenas um.

"Em comparação com as soluções e ideias existentes, nosso dispositivo é muito mais eficiente e permite a integração em uma escala maior. No sentido funcional, pode-se até pensar nisso como um primeiro equivalente a um pequeno circuito integrado operando em fótons individuais, "explica o Dr. Wojciech Wasilewski (UW Physics), um dos autores de um artigo publicado em Cartas de revisão física .

As primeiras fontes de fóton único foram inventadas na década de 1970, e embora os muitos tipos que existem hoje ainda tenham muitas desvantagens, fótons únicos são usados ​​com sucesso em protocolos de comunicação quântica que garantem total confidencialidade. Contudo, para ser capaz de realizar cálculos quânticos complexos, são necessários grupos de fótons.

O método mais simples de gerar grupos de fótons é usar um número suficientemente grande de fontes. Os dispositivos atuais exploram o fenômeno da conversão paramétrica descendente espontânea (SPDC). Sob certas condições, um fóton gerado por um laser pode se dividir em dois novos, cada um com metade da quantidade de energia, e com todas as outras propriedades ligadas pelos princípios de conservação de energia e momento. Assim, quando a informação é codificada em um dos fótons do par, as propriedades do outro fóton são conhecidas, que, no entanto, permanecem inalterados pela observação e, portanto, perfeitamente adequados para operações quânticas. Infelizmente, cada fonte SPDC gera fótons únicos lenta e aleatoriamente.

Em 2013, uma equipe de físicos das Universidades de Oxford e Londres propôs um protocolo muito mais eficiente para gerar grupos de fótons. A ideia era colocar uma memória quântica em cada fonte, que seria capaz de armazenar fótons emitidos, que pode então ser liberado no mesmo momento. Os cálculos mostraram que a escala de tempo necessária para emitir um grupo de 10 fótons seria reduzida em espantosas 10 ordens de magnitude - de anos para microssegundos.

A fonte desenvolvida pelos físicos da Universidade de Varsóvia representa a primeira implementação deste conceito. Aqui, todos os fótons são criados imediatamente na memória quântica como resultado de um pulso de laser que dura apenas microssegundos. Fontes externas de fótons individuais não são mais necessárias, e o número necessário de memórias quânticas é reduzido a apenas uma.

"Toda a nossa configuração experimental ocupa cerca de dois metros quadrados da superfície da mesa óptica. Mas os eventos mais importantes acontecem na própria memória, em cilindro de vidro com aproximadamente 10 cm de comprimento e 2,5 cm de diâmetro. Qualquer um que possa esperar ver dentro do cilindro um design sofisticado ficará muito desapontado:o interior da célula é preenchido apenas com pares de átomos de rubídio 87Rb a 60 a 80 graus Celsius ", diz Michal Dabrowski, um Ph.D. estudante da UW Physics.

O dispositivo é uma memória multimodo espacial:fótons individuais podem ser colocados, armazenado, processado e lido em diferentes áreas dentro do cilindro, atuando como gavetas de memória separadas. A operação de gravação, realizado com um feixe de laser, funciona preservando um holograma na forma de excitações atômicas. Iluminar o sistema com o laser permite que os pesquisadores reconstruam o holograma e leiam o conteúdo da memória.

Nos experimentos, a nova fonte gerou um grupo de até 60 fótons. Os cálculos mostram que em condições realistas, o uso de lasers de maior potência pode aumentar esse número para vários milhares. (Os cálculos envolvidos na análise de dados deste experimento eram de tal grande complexidade que exigiam o poder de computação de 53, 000 núcleos de rede da Infraestrutura PL-Grid).

Devido ao ruído, perdas e outros processos parasitários, a memória quântica da UW Physics pode armazenar fótons de vários a dezenas de microssegundos. Embora este período pareça insignificante, existem sistemas que permitem que operações simples sejam realizadas em fótons em nanossegundos. Na nova memória quântica, pesquisadores podem, em princípio, realizar várias centenas de operações em cada fóton, que é suficiente para a comunicação quântica e processamento de informações.

Ter uma fonte de trabalho de grandes grupos de fótons é um passo importante para a construção de um tipo de computador quântico capaz de realizar cálculos em muito menos tempo do que as melhores máquinas de computação modernas. Vários anos atrás, foi mostrado que a realização de operações óticas lineares simples em fótons pode aumentar a velocidade da computação quântica. A complexidade desses cálculos depende do número de fótons processados ​​simultaneamente. Contudo, as limitações das fontes de grandes grupos de fótons impediram o desenvolvimento do computador quântico linear, limitando-os a operações matemáticas elementares.

Além de cálculos quânticos, o circuito integrado fotônico pode ser útil na comunicação quântica. Atualmente, isso envolve o envio de fótons únicos usando uma fibra óptica. A nova fonte permitiria que muitos fótons entrassem na fibra óptica simultaneamente, e, portanto, aumentaria a capacidade dos canais quânticos.