Os cientistas desenvolveram um chip fotônico topológico para processar informações quânticas, prometendo uma opção mais robusta para computadores quânticos escaláveis.

A equipe de pesquisa, liderado pelo Dr. Alberto Peruzzo da RMIT University, demonstrou pela primeira vez que a informação quântica pode ser codificada, processado e transferido à distância com circuitos topológicos no chip. A pesquisa é publicada em Avanços da Ciência .

A descoberta pode levar ao desenvolvimento de novos materiais, computadores de nova geração e entendimentos mais profundos da ciência fundamental.

Em colaboração com cientistas do Politecnico di Milano e ETH Zurich, os pesquisadores usaram fotônica topológica - um campo de rápido crescimento que visa estudar a física das fases topológicas da matéria em um novo contexto óptico - para fabricar um chip com um 'divisor de feixe' criando um portão quântico fotônico de alta precisão.

"Prevemos que o novo design do chip abrirá o caminho para estudar os efeitos quânticos em materiais topológicos e para uma nova área de processamento quântico topologicamente robusto em tecnologia fotônica integrada, "diz Peruzzo, Pesquisador-chefe do Centro de Excelência para Computação Quântica e Tecnologia de Comunicação da ARC (CQC2T) e Diretor, Laboratório de Fotônica Quântica, RMIT.

"A fotônica topológica tem a vantagem de não exigir campos magnéticos fortes, e apresentam coerência intrinsecamente alta, operação em temperatura ambiente e fácil manipulação ", diz Peruzzo.

"Esses são requisitos essenciais para o aumento de escala dos computadores quânticos."

Replicando o conhecido experimento de Hong-Ou-Mandel (HOM) - que leva dois fótons, os constituintes finais da luz, e interferir de acordo com as leis da mecânica quântica - a equipe foi capaz de usar o chip fotônico para demonstrar, pela primeira vez, que os estados topológicos podem sofrer interferência quântica de alta fidelidade.

A interferência do HOM está no cerne da computação quântica óptica, que é muito sensível a erros. Estados protegidos topologicamente podem adicionar robustez à comunicação quântica, diminuindo o ruído e os defeitos predominantes na tecnologia quântica. Isso é particularmente atraente para o processamento óptico de informações quânticas.

"Pesquisas anteriores focaram na fotônica topológica usando luz laser 'clássica', que se comporta como uma onda clássica. Aqui usamos fótons únicos, que se comportam de acordo com a mecânica quântica ", diz o autor principal Jean-Luc Tambasco, Ph.D. aluno da RMIT.

Demonstrar a interferência quântica de alta fidelidade é um precursor para transmitir dados precisos usando fótons únicos para comunicações quânticas - um componente vital de uma rede quântica global.

"Este trabalho cruza os dois campos prósperos da tecnologia quântica e isolantes topológicos e pode levar ao desenvolvimento de novos materiais, computadores de nova geração e ciência fundamental ", diz Peruzzo.

A pesquisa faz parte do Photonic Quantum Processor Program da CQC2T. O Centro de Excelência está desenvolvendo abordagens paralelas usando processadores óticos e de silício na corrida para desenvolver o primeiro sistema de computação quântica.

Os pesquisadores australianos da CQC2T estabeleceram uma liderança global em informações quânticas. Tendo desenvolvido tecnologias exclusivas para manipular matéria e luz no nível de átomos e fótons individuais, a equipe demonstrou a maior fidelidade, tempo de coerência mais longo qubits no estado sólido; a memória quântica de vida mais longa no estado sólido; e a capacidade de executar algoritmos de pequena escala em qubits fotônicos.