Na busca global para desenvolver dispositivos práticos de computação e comunicação baseados nos princípios da física quântica, um componente potencialmente útil provou ser elusivo:uma fonte de partículas individuais de luz com perfeitamente constante, previsível, e características estáveis. Agora, pesquisadores do MIT e da Suíça afirmam que deram passos importantes em direção a essa fonte única de fótons.

O estudo, que envolve o uso de uma família de materiais conhecidos como perovskitas para fazer partículas emissoras de luz chamadas pontos quânticos, aparece hoje no jornal Ciência . O artigo é do aluno de pós-graduação em química do MIT Hendrik Utzat, professor de química Moungi Bawendi, e outros nove no MIT e na ETH em Zurique, Suíça.

A capacidade de produzir fótons individuais com propriedades precisamente conhecidas e persistentes, incluindo um comprimento de onda, ou cor, que não flutua de forma alguma, pode ser útil para muitos tipos de dispositivos quânticos propostos. Porque cada fóton seria indistinguível dos outros em termos de suas propriedades mecânicas quânticas, pode ser possível, por exemplo, para atrasar um deles e, em seguida, fazer com que o par interaja um com o outro, em um fenômeno denominado interferência.

"Essa interferência quântica entre diferentes fótons únicos indistinguíveis é a base de muitas tecnologias de informação quântica óptica usando fótons únicos como transportadores de informação, "Utzat explica." Mas só funciona se os fótons forem coerentes, o que significa que preservam seus estados quânticos por um tempo suficientemente longo. "

Muitos pesquisadores tentaram produzir fontes que pudessem emitir tais fótons únicos coerentes, mas todos tiveram limitações. Flutuações aleatórias nos materiais que cercam esses emissores tendem a alterar as propriedades dos fótons de maneiras imprevisíveis, destruindo sua coerência. Encontrar materiais emissores que mantenham a coerência e também sejam brilhantes e estáveis ​​é "fundamentalmente desafiador, "Diz Utzat. Isso porque não apenas os arredores, mas até os próprios materiais" fornecem essencialmente um banho flutuante que interage aleatoriamente com o estado quântico eletronicamente excitado e elimina a coerência, " ele diz.

"Sem ter uma fonte de fótons únicos coerentes, você não pode usar nenhum desses efeitos quânticos que são a base da manipulação de informações quânticas ópticas, "diz Bawendi, quem é o professor de química Lester Wolfe. Outro efeito quântico importante que pode ser aproveitado por ter fótons coerentes, ele diz, é emaranhamento, em que dois fótons se comportam essencialmente como se fossem um, compartilhando todas as suas propriedades.

Materiais de pontos quânticos coloidais feitos anteriormente quimicamente tinham tempos de coerência impraticavelmente curtos, mas esta equipe descobriu que fazer os pontos quânticos de perovskitas, uma família de materiais definidos por sua estrutura cristalina, produziu níveis de coerência que eram mais de mil vezes melhores do que as versões anteriores. As propriedades de coerência desses pontos quânticos de perovskita coloidal estão agora se aproximando dos níveis de emissores estabelecidos, como defeitos semelhantes a átomos em diamante ou pontos quânticos cultivados por físicos usando epitaxia de feixe de fase gasosa.

Uma das grandes vantagens dos perovskitas, eles encontraram, era que eles emitiam fótons muito rapidamente após serem estimulados por um feixe de laser. Essa alta velocidade pode ser uma característica crucial para aplicações de computação quântica em potencial. Eles também têm muito pouca interação com o ambiente, melhorando consideravelmente suas propriedades de coerência e estabilidade.

Esses fótons coerentes também podem ser usados ​​para aplicações de comunicações criptografadas quânticas, Bawendi diz. Um tipo particular de emaranhamento, chamado de emaranhamento de polarização, pode ser a base para comunicações quânticas seguras que desafiam as tentativas de interceptação.

Agora que a equipe encontrou essas propriedades promissoras, a próxima etapa é trabalhar na otimização e melhoria de seu desempenho para torná-los escaláveis ​​e práticos. Por uma coisa, eles precisam atingir 100 por cento de indistinguibilidade nos fótons produzidos. Até aqui, eles alcançaram 20 por cento, "o que já é muito notável, "Utzat diz, já comparável às coerências alcançadas por outros materiais, como defeitos fluorescentes semelhantes a átomos em diamante, que já são sistemas estabelecidos e têm sido trabalhados há muito mais tempo.

"Os pontos quânticos de perovskita ainda têm um longo caminho a percorrer até que se tornem aplicáveis ​​em aplicações reais, " ele diz, "mas este é um novo sistema de materiais disponível para fotônica quântica que agora pode ser otimizado e potencialmente integrado com dispositivos."

É um fenômeno novo e exigirá muito trabalho para ser desenvolvido em um nível prático, dizem os pesquisadores. "Nosso estudo é muito fundamental, "Notas de Bawendi." No entanto, é um grande passo em direção ao desenvolvimento de uma nova plataforma de materiais que é promissora. "