Pesquisadores da QuTech construíram um laser de micro-ondas on-chip baseado em um aspecto fundamental da supercondutividade, o efeito AC Josephson. O dispositivo é feito de uma única junção Josephson em nanoescala fortemente acoplada a uma cavidade supercondutora. Quando uma pequena tensão DC é aplicada através da junção por uma bateria, a diferença de energia faz com que as microondas sejam liberadas quando um par de Cooper faz um túnel através da junção. A cavidade então fornece amplificação, resultando em um feixe de luz de microondas coerente a ser emitido da cavidade. O dispositivo pode ter aplicações na construção de um computador quântico escalonável. Crédito:Delft University of Technology
Os lasers estão por toda parte hoje em dia:os médicos os usam para corrigir a visão, caixas para digitalizar suas compras, e cientista quântico para controlar qubits no futuro computador quântico. Para a maioria dos aplicativos, o atual volumoso, lasers ineficientes em energia são bons, mas o cientista quântico trabalha em temperaturas extremamente baixas e em escalas muito pequenas. Por mais de 40 anos, eles têm procurado lasers de micro-ondas eficientes e precisos que não perturbem o ambiente muito frio em que a tecnologia quântica funciona.
Uma equipe de pesquisadores liderada por Leo Kouwenhoven na TU Delft demonstrou um laser de micro-ondas on-chip baseado em uma propriedade fundamental da supercondutividade, o efeito AC Josephson. Eles incorporaram uma pequena seção de um supercondutor interrompido, uma junção Josephson, em uma cavidade no chip cuidadosamente projetada. Tal dispositivo abre a porta para muitas aplicações em que a radiação de microondas com dissipação mínima é a chave, por exemplo, no controle de qubits em um computador quântico escalonável.
Os cientistas publicaram seus trabalhos em Ciência no dia 3 de março.
Os lasers têm a capacidade única de emitir perfeitamente sincronizados, luz coerente. Isso significa que a largura da linha (correspondente à cor) é muito estreita. Normalmente os lasers são feitos de um grande número de emissores (átomos, moléculas, ou portadores semicondutores) dentro de uma cavidade. Esses lasers convencionais muitas vezes são ineficientes, e dissipar muito calor durante o uso do laser. Isso os torna difíceis de operar em ambientes criogênicos, como o que é necessário para operar um computador quântico.
Junção josephson supercondutora
Em 1911, o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes descobriu que alguns materiais fazem a transição para um estado supercondutor em temperaturas muito baixas, permitindo que a corrente elétrica flua sem qualquer perda de energia. Uma das aplicações mais importantes da supercondutividade é o efeito Josephson:se uma barreira muito curta interrompe um pedaço de supercondutor, o túnel de portadores elétricos através deste material não supercondutor pelas leis da mecânica quântica. Além disso, eles fazem isso em uma frequência muito característica, que pode ser alterada por uma tensão DC aplicada externamente. A junção Josephson é, portanto, um conversor de tensão para luz (frequência) perfeito.
Laser junção Josephson
Os cientistas da QuTech acoplaram essa junção Josephson única a uma microcavidade supercondutora de fator de alta qualidade, não maior do que uma formiga. A junção Josephson atua como um único átomo, enquanto a cavidade pode ser vista como dois espelhos para luz de microondas. Quando uma pequena tensão DC é aplicada a esta junção Josephson, ele emite fótons de microondas que estão em ressonância com a frequência da cavidade. Os fótons saltam para frente e para trás entre dois espelhos supercondutores, e forçar a junção Josephson a emitir mais fótons sincronizados com os fótons da cavidade. Resfriando o dispositivo a temperaturas ultrabaixas ( <1 Kelvin) e aplicando uma pequena voltagem DC à junção Josephson, os pesquisadores observam um feixe coerente de fótons de microondas emitidos na saída da cavidade. Como o laser on-chip é feito inteiramente de supercondutores, é muito eficiente em termos de energia e mais estável do que os lasers baseados em semicondutores demonstrados anteriormente. Ele usa menos de um picoWatt de energia para funcionar, mais de 100 bilhões de vezes menos do que um globo de luz.
Controle quântico de baixa perda
Fontes eficientes de luz de microondas coerente de alta qualidade são essenciais em todos os projetos atuais do futuro computador quântico. Os bursts de microondas são usados para ler e transferir informações, corrigir erros e acessar e controlar os componentes quânticos individuais. Embora as fontes atuais de microondas sejam caras e ineficientes, o laser de junção Josephson criado na QuTech é eficiente em termos de energia e oferece uma solução no chip fácil de controlar e modificar. O grupo está estendendo seu projeto para usar junções Josephson sintonizáveis feitas de nanofios para permitir a explosão de microondas para controle rápido de vários componentes quânticos. No futuro, tal dispositivo pode ser capaz de gerar a chamada luz "comprimida por amplitude" com flutuações de intensidade menores em comparação com os lasers convencionais, isso é essencial na maioria dos protocolos de comunicação quântica. Este trabalho marca um passo importante para o controle de grandes sistemas quânticos para computação quântica.
