Normalmente, partículas de luz - fótons - não interagem. Se dois fótons colidem no vácuo, eles simplesmente passam um pelo outro.

Uma maneira eficiente de fazer os fótons interagirem pode abrir novas perspectivas para a óptica clássica e a computação quântica, uma tecnologia experimental que promete grandes acelerações em alguns tipos de cálculos.

Nos últimos anos, os físicos permitiram as interações fóton-fóton usando átomos de elementos raros resfriados a temperaturas muito baixas.

Mas na última edição da Cartas de revisão física , Os pesquisadores do MIT descrevem uma nova técnica para permitir interações fóton-fóton em temperatura ambiente, usando um cristal de silício com padrões distintos gravados nele. No jargão da física, o cristal introduz "não linearidades" na transmissão de um sinal óptico.

"Todas essas abordagens que tinham átomos ou partículas semelhantes a átomos requerem baixas temperaturas e funcionam em uma banda de frequência estreita, "diz Dirk Englund, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT e autor sênior do novo artigo. "Tem sido um santo graal criar métodos para realizar não linearidades em nível de fóton único em temperatura ambiente sob condições ambientais."

Se juntando a Englund no papel estão Hyeongrak Choi, um estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação, e Mikkel Heuck, que era pós-doutorado no laboratório de Englund quando o trabalho foi concluído e agora está na Universidade Técnica da Dinamarca.

Independência fotônica

Os computadores quânticos utilizam uma estranha propriedade física chamada "superposição, "em que se pode dizer que uma partícula quântica habita dois estados contraditórios ao mesmo tempo. O spin, ou orientação magnética, de um elétron, por exemplo, pode estar tanto para cima quanto para baixo ao mesmo tempo; a polarização de um fóton pode ser tanto vertical quanto horizontal.

Se uma sequência de bits quânticos - ou qubits, o análogo quântico dos bits em um computador clássico - está em superposição, pode, em algum sentido, angariar várias soluções para o mesmo problema simultaneamente, é por isso que os computadores quânticos prometem acelerações.

A maioria dos qubits experimentais usa íons presos em campos magnéticos oscilantes, circuitos supercondutores, ou - como a própria pesquisa de Englund - defeitos na estrutura cristalina dos diamantes. Com todas essas tecnologias, Contudo, as superposições são difíceis de manter.

Como os fótons não são muito suscetíveis a interações com o ambiente, eles são ótimos em manter a superposição; mas pelo mesmo motivo, eles são difíceis de controlar. E a computação quântica depende da capacidade de enviar sinais de controle aos qubits.

É aí que entra o novo trabalho dos pesquisadores do MIT. Se um único fóton entrar em seu dispositivo, ele passará desimpedido. Mas se dois fótons - nos estados quânticos corretos - tentarem entrar no dispositivo, eles serão refletidos de volta.

O estado quântico de um dos fótons pode, portanto, ser imaginado como controlando o estado quântico do outro. E a teoria da informação quântica estabeleceu que "portas" quânticas simples desse tipo são tudo o que é necessário para construir um computador quântico universal.

Ressonância antipática

O dispositivo dos pesquisadores consiste em um longo, estreito, cristal de silício retangular com orifícios regularmente espaçados gravados nele. Os orifícios são mais largos nas extremidades do retângulo, e eles se estreitam em direção ao seu centro. Conectar os dois orifícios do meio é um canal ainda mais estreito, e em seu centro, em lados opostos, são duas pontas concêntricas afiadas. O padrão de orifícios retém temporariamente a luz no dispositivo, e as pontas concêntricas concentram o campo elétrico da luz aprisionada.

Os pesquisadores criaram um protótipo do dispositivo e mostraram que ele confinava a luz e concentrava o campo elétrico da luz no grau previsto por seus modelos teóricos. Mas transformar o dispositivo em um portão quântico exigiria outro componente, um dielétrico imprensado entre as pontas. (Um dielétrico é um material que normalmente é eletricamente isolante, mas se tornará polarizado - todas as suas cargas positivas e negativas se alinharão na mesma direção - quando exposto a um campo elétrico.)

Quando uma onda de luz passa perto de um dielétrico, seu campo elétrico deslocará ligeiramente os elétrons dos átomos do dielétrico. Quando os elétrons voltam, eles balançam, como o balanço de uma criança quando é empurrado com muita força. Essa é a não linearidade que o sistema dos pesquisadores explora.

O tamanho e o espaçamento dos orifícios no dispositivo são ajustados para uma frequência de luz específica - a "frequência de ressonância" do dispositivo. Mas a oscilação não linear dos elétrons do dielétrico deve mudar essa frequência.

Normalmente, essa mudança é leve o suficiente para ser insignificante. Mas porque as pontas afiadas do dispositivo dos pesquisadores concentram os campos elétricos de entrada de fótons, eles também exageram a mudança. Um único fóton ainda pode passar pelo dispositivo. Mas se dois fótons tentassem entrar, a mudança seria tão dramática que eles teriam repulsa.

Potencial prático

O dispositivo pode ser configurado de modo que a mudança dramática na frequência de ressonância ocorra apenas se os fótons que tentam entrar nele tiverem propriedades quânticas particulares - combinações específicas de polarização ou fase, por exemplo. O estado quântico de um fóton pode, assim, determinar a maneira como o outro fóton é tratado, o requisito básico para uma porta quântica.

Englund enfatiza que a nova pesquisa não produzirá um computador quântico funcional no futuro imediato. Muitas vezes, a luz que entra no protótipo ainda é espalhada ou absorvida, e os estados quânticos dos fótons podem ficar ligeiramente distorcidos. Mas outras aplicações podem ser mais viáveis ​​no curto prazo. Por exemplo, uma versão do dispositivo pode fornecer uma fonte confiável de fótons individuais, o que seria um grande incentivo a uma série de pesquisas em ciência da informação quântica e comunicações.

"Este trabalho é bastante notável e único porque mostra uma forte interação de matéria leve, localização de luz, e armazenamento relativamente longo de fótons em uma escala tão pequena em um semicondutor, "diz Mohammad Soltani, um pesquisador de nanofotônica no Grupo de Processamento de Informações Quânticas da Raytheon BBN Technologies. "Pode permitir coisas que antes eram questionáveis, como portas não lineares de fóton único para informações quânticas. Funciona à temperatura ambiente, é de estado sólido, e é compatível com a fabricação de semicondutores. Este trabalho está entre os mais promissores até hoje para dispositivos práticos, como dispositivos de informação quântica. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.