Uma equipe internacional de cientistas e engenheiros quânticos liderados pela Universidade de Bristol e envolvendo grupos da China, Dinamarca, Espanha, Alemanha e Polônia, perceberam um avançado dispositivo fotônico quântico de silício em grande escala que pode emaranhar fótons em níveis incríveis de precisão.

Enquanto o hardware quântico padrão emaranha partículas em dois estados, a equipe encontrou uma maneira de gerar e emaranhar pares de partículas, cada uma com 15 estados.

O chip fotônico integrado define um novo padrão de complexidade e precisão da fotônica quântica, com aplicações imediatas para tecnologias quânticas.

A fotônica quântica integrada permite o roteamento e controle de partículas únicas de luz com estabilidade e precisão intrinsecamente altas, no entanto, até o momento, ele foi limitado a demonstrações em pequena escala, nas quais apenas um pequeno número de componentes são integrados em um chip.

Aumentar a escala desses circuitos quânticos é de suma importância para aumentar a complexidade e o poder computacional das modernas tecnologias de processamento de informações quânticas, abrindo a possibilidade de muitas aplicações revolucionárias.

O time, liderado por cientistas dos Laboratórios de Tecnologia de Engenharia Quântica da Universidade de Bristol (QET Labs) demonstrou o primeiro circuito fotônico quântico integrado em grande escala, que integra centenas de componentes essenciais, pode gerar, controlar e analisar o emaranhamento de alta dimensão com um nível de precisão sem precedentes.

O chip quântico foi realizado usando uma tecnologia fotônica de silício escalonável, semelhantes aos circuitos eletrônicos de hoje, que forneceria um caminho para a fabricação de componentes massivos para a realização de um computador quântico óptico.

O trabalho, em colaboração com a Universidade de Pequim, Universidade Técnica da Dinamarca (DTU), Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO), Instituto Max Planck, Centro de Física Teórica da Academia Polonesa de Ciências, e a Universidade de Copenhagen, foi publicado hoje na revista Ciência .

O controle coerente e preciso de grandes dispositivos quânticos e sistemas complexos de emaranhamento multidimensional tem sido uma tarefa desafiadora devido às complexas interações de partículas correlacionadas em grandes sistemas quânticos. Um progresso significativo em direção à realização de dispositivos quânticos de grande escala foi relatado recentemente em uma variedade de plataformas, incluindo fótons, supercondutores, íons, pontos e defeitos.

Em particular, a fotônica representa uma abordagem promissora para codificar e processar naturalmente estados de qudit multidimensionais nos diferentes graus de liberdade do fóton.

Nesse trabalho, um sistema emaranhado multidimensional codificado por caminho programável com dimensão de até 15 × 15 é demonstrado, onde dois fótons existem em 15 caminhos ópticos ao mesmo tempo e estão emaranhados um com o outro.

Este emaranhamento multidimensional é realizado explorando circuitos quânticos fotônicos de silício, integrando-se em um único chip, 550 componentes ópticos, incluindo 16 fontes de pares de fótons idênticos, 93 deslocadores de fase óticos, 122 divisores de feixe.

Autor principal, Dr. Jianwei Wang, disse:"É a maturidade da fotônica de silício de hoje que nos permite expandir a tecnologia e alcançar uma integração em larga escala de circuitos quânticos.

"Esta é a coisa mais bonita da fotônica quântica no silício. Nosso chip quântico nos permite atingir níveis sem precedentes de precisão e controle de emaranhamento multidimensional, um fator-chave em muitas tarefas de informação quântica de computação e comunicação. "

Pesquisador sênior, autor correspondente Yunhong Ding da DTU, Centro de fotônica de silício para comunicação óptica (SPOC), acrescentou:"Novas tecnologias sempre permitem novos aplicativos.

"As capacidades de nossas tecnologias integradas de fotônica de silício em DTU permitem grande escala, chips de processamento de informações quânticas altamente estáveis, que nos permitem observar correlações quânticas multidimensionais de alta qualidade, incluindo violações generalizadas de Bell e EPR, e também implementar protocolos quânticos multidimensionais experimentalmente inexplorados:expansão de aleatoriedade multidimensional e autoteste de estado. "

Dr. Anthony Laing, um acadêmico líder no QETLabs de Bristol e autor correspondente, disse:"Emaranhamento é uma característica fascinante da mecânica quântica e que ainda não entendemos completamente. Este dispositivo e as futuras gerações de chips de complexidade e sofisticação crescentes nos permitirão explorar este reino da ciência quântica e fazer novas descobertas."

Professor Mark Thompson, líder da equipe de Bristol, acrescentou:"Usamos as mesmas ferramentas e técnicas de fabricação que são exploradas na indústria de microeletrônica de hoje para realizar nosso microchip fotônico quântico de silício. No entanto, ao contrário dos circuitos eletrônicos convencionais que utilizam o comportamento clássico dos elétrons, nossos circuitos exploram as propriedades quânticas de uma única partícula de luz. Esta abordagem de fotônica de silício para tecnologias quânticas fornece um caminho claro para aumentar a escala para muitos milhões de componentes que são necessários para aplicações de computação quântica em grande escala. "