p A menor quantidade de luz que você pode ter é um fóton, tão escuro que é praticamente invisível para os humanos. Embora imperceptível, esses minúsculos pontos de energia são úteis para transportar informações quânticas. Idealmente, cada mensageiro quântico seria o mesmo, mas não existe uma maneira direta de produzir um fluxo de fótons idênticos. Isso é particularmente desafiador quando fótons individuais vêm de chips fabricados. p Agora, pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI) demonstraram uma nova abordagem que permite que diferentes dispositivos emitam repetidamente fótons únicos quase idênticos. O time, liderado por JQI Fellow Mohammad Hafezi, fez um chip de silício que orienta a luz ao redor da borda do dispositivo, onde é inerentemente protegido contra interrupções. Anteriormente, Hafezi e colegas mostraram que este projeto pode reduzir a probabilidade de degradação do sinal óptico. Em um artigo publicado online em 10 de setembro em Natureza , a equipe explica que a mesma física que protege a luz ao longo da borda do chip também garante uma produção confiável de fótons.

p Fótons únicos, que são um exemplo de luz quântica, são mais do que apenas luz fraca. Essa distinção tem muito a ver com a origem da luz. "Quase toda a luz que encontramos em nossa vida cotidiana está repleta de fótons, "diz Elizabeth Goldschmidt, pesquisador do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e coautor do estudo. "Mas ao contrário de uma lâmpada, existem algumas fontes que realmente emitem luz, um fóton por vez, e isso só pode ser descrito pela física quântica, "acrescenta Goldschmidt.

p Muitos pesquisadores estão trabalhando na construção de emissores quânticos confiáveis ​​de luz para que possam isolar e controlar as propriedades quânticas de fótons individuais. Goldschmidt explica que essas fontes de luz provavelmente serão importantes para futuros dispositivos de informação quântica, bem como para uma maior compreensão dos mistérios da física quântica. "As comunicações modernas dependem fortemente de luz não quântica, "diz Goldschmidt." Da mesma forma, muitos de nós acreditam que fótons individuais serão necessários para qualquer tipo de aplicação de comunicação quântica. "

p Os cientistas podem gerar luz quântica usando um processo natural de mudança de cor que ocorre quando um feixe de luz passa por certos materiais. Neste experimento, a equipe usou silício, uma escolha industrial comum para orientar a luz, para converter a luz do laser infravermelho em pares de fótons únicos de cores diferentes.

p Eles injetaram luz em um chip contendo uma série de laços minúsculos de silício. Sob o microscópio, os loops parecem pistas de corridas de vidro interligadas. A luz circula em torno de cada loop milhares de vezes antes de passar para um loop vizinho. Esticado, o caminho da luz teria vários centímetros de comprimento, mas os loops permitem encaixar a viagem em um espaço cerca de 500 vezes menor. A jornada relativamente longa é necessária para obter muitos pares de fótons únicos do chip de silício.

p Essas matrizes de loop são rotineiramente usadas como fontes de fóton único, mas pequenas diferenças entre os chips farão com que as cores dos fótons variem de um dispositivo para o outro. Mesmo dentro de um único dispositivo, defeitos aleatórios no material podem reduzir a qualidade média do fóton. Este é um problema para aplicações de informação quântica, onde os pesquisadores precisam que os fótons sejam o mais idênticos possível.

p A equipe contornou esse problema organizando os loops de uma maneira que sempre permite que a luz viaje sem ser perturbada ao redor da borda do chip, mesmo se houver defeitos de fabricação. Esse design não apenas protege a luz de interrupções, mas também restringe a forma como os fótons individuais se formam dentro desses canais de borda. O layout do loop essencialmente força cada par de fótons a ser quase idêntico ao próximo, independentemente das diferenças microscópicas entre os anéis. A parte central do chip não contém rotas protegidas, e, portanto, quaisquer fótons criados nessas áreas são afetados por defeitos de material.

p Os pesquisadores compararam seus chips a outros sem nenhuma rota protegida. Eles coletaram pares de fótons de diferentes chips, contando o número emitido e anotando sua cor. Eles observaram que sua fonte de luz quântica produzia de forma confiável alta qualidade, fótons de uma única cor repetidas vezes, enquanto a saída do chip convencional era mais imprevisível.

p "Inicialmente, pensamos que precisaríamos ser mais cuidadosos com o design, e que os fótons seriam mais sensíveis ao processo de fabricação do nosso chip, "diz Sunil Mittal, um pesquisador de pós-doutorado JQI e autor principal do novo estudo. "Mas, surpreendentemente, fótons gerados nestes canais de borda blindados são sempre quase idênticos, independentemente de quão ruins sejam os chips. "

p Mittal acrescenta que este dispositivo tem uma vantagem adicional sobre outras fontes de fóton único. "Nosso chip funciona em temperatura ambiente. Não preciso resfriá-lo a temperaturas criogênicas como outras fontes de luz quântica, tornando-a uma configuração relativamente simples. "

p A equipe diz que essa descoberta pode abrir uma nova avenida de pesquisa, que une a luz quântica com dispositivos fotônicos com recursos de proteção embutidos. "Os físicos só recentemente perceberam que as vias protegidas alteram fundamentalmente a maneira como os fótons interagem com a matéria, "diz Mittal." Isso pode ter implicações para uma variedade de campos onde as interações luz-matéria desempenham um papel, incluindo ciência da informação quântica e tecnologia optoeletrônica. "