Cientistas na Austrália demonstraram pela primeira vez a proteção de estados correlacionados entre fótons emparelhados - pacotes de energia de luz - usando o intrigante conceito físico de topologia. Esta descoberta experimental abre um caminho para construir um novo tipo de bit quântico, os blocos de construção para computadores quânticos.

A pesquisa, desenvolvido em estreita colaboração com colegas israelenses, é publicado hoje na prestigiosa revista, Ciência , um reconhecimento da importância fundamental deste trabalho.

"Agora podemos propor um caminho para construir estados emaranhados robustos para portas lógicas usando pares protegidos de fótons, "disse a autora principal, Dra. Andrea Blanco-Redondo, do University of Sydney Nano Institute.

As portas lógicas são as chaves necessárias para operar algoritmos escritos para computadores quânticos. As chaves computacionais clássicas estão em formas binárias simples de zero ou um. Os interruptores quânticos existem em um estado de 'superposição' que combinam zero e um.

Proteger as informações quânticas por tempo suficiente para que as máquinas quânticas possam realizar cálculos úteis é um dos maiores desafios da física moderna. Computadores quânticos úteis exigirão milhões ou bilhões de qubits para processar informações. Até aqui, os melhores dispositivos experimentais têm cerca de 20 qubits.

Para liberar o potencial da tecnologia quântica, os cientistas precisam encontrar uma maneira de proteger a superposição emaranhada de bits quânticos - ou qubits - em nanoescala. As tentativas de conseguir isso usando supercondutores e íons presos mostraram-se promissores, mas eles são altamente suscetíveis a interferência eletromagnética, tornando-os terrivelmente difíceis de se transformar em máquinas úteis.

O uso de fótons - pacotes de energia luminosa - em vez de elétrons tem sido uma alternativa proposta sobre a qual construir portas lógicas que podem calcular algoritmos quânticos.

Fótons, ao contrário dos elétrons, estão bem isolados do ambiente térmico e eletromagnético. Contudo, dimensionar dispositivos quânticos com base em qubits fotônicos foi limitado devido à perda de espalhamento e outros erros; até agora.

"O que fizemos foi desenvolver uma nova estrutura de rede de nanofios de silício, criando uma simetria particular que fornece robustez incomum para a correlação dos fótons. A simetria ajuda a criar e orientar esses estados correlacionados, conhecido como 'modos de borda', "disse o Dr. Blanco-Redondo, o Messel Research Fellow na Escola de Física.

"Essa robustez decorre da topologia subjacente, uma propriedade global da rede que permanece inalterada contra a desordem. "

A correlação que isso produz é necessária para construir estados emaranhados para portas quânticas.

Canais, ou guias de ondas, feita com nanofios de silício de apenas 500 nanômetros de largura, foram alinhados em pares com um defeito deliberado de simetria no meio, criando duas estruturas de rede com diferentes topologias e uma 'borda' intermediária.

Essa topologia permite a criação de modos especiais nos quais os fótons podem emparelhar - chamados de 'modos de borda'. Esses modos permitem que as informações transportadas pelos fótons emparelhados sejam transportadas de maneira robusta que, de outra forma, teriam sido espalhadas e perdidas em uma rede uniforme.

A Dra. Blanco-Redondo projetou e realizou o experimento no Sydney Nanoscience Hub com a Dra. Bryn Bell, anteriormente na University of Sydney e agora na University of Oxford.

Os fótons foram criados por alta intensidade, pulsos de laser ultracurtos, a mesma tecnologia subjacente pela qual Donna Strickland e Gerard Mourou receberam o Prêmio Nobel de Física de 2018.

Esta pesquisa é a mais recente no florescimento de descobertas na última década sobre estados topológicos da matéria. Esses recursos topológicos oferecem proteção para informações clássicas e quânticas em campos tão diversos como o eletromagnetismo, matéria condensada, acústica e átomos frios.

Laboratórios Quantum da Microsoft, incluindo aquele em Sydney, estão buscando o desenvolvimento de qubits baseados em elétrons, onde a informação quântica é protegida topologicamente por meio do nó de quasipartículas conhecidas como férmions de Majorana. Isso é um pouco como entrançar os estados de meio elétron induzidos pela interação de supercondutores e metais semicondutores.

Estados topologicamente protegidos foram demonstrados anteriormente para fótons únicos.

Contudo, O Dr. Blanco-Redondo disse:"Os sistemas de informação quântica dependerão de estados multifotônicos, destacando a importância desta descoberta para um maior desenvolvimento. "

Ela disse que o próximo passo será melhorar a proteção do emaranhamento de fótons para criar portas lógicas quânticas escaláveis.

Professor Stephen Bartlett, um físico quântico teórico em Sydney Nano que não está conectado ao estudo, disse:"O resultado do Dr. Blanco-Redondo é emocionante em um nível fundamental porque mostra a existência de modos protegidos anexados à fronteira de um material topologicamente ordenado.

"O que isso significa para a computação quântica não está claro, pois ainda é cedo. Mas a esperança é que a proteção oferecida por esses modos de borda possa ser usada para proteger os fótons dos tipos de ruído que são problemáticos para as aplicações quânticas."