Ao projetar cuidadosamente a geometria de uma escala micrométrica, ressonador em forma de anel, pesquisadores do NIST produziram pares de fótons emaranhados (partículas de luz) que têm duas cores ou comprimentos de onda muito diferentes. A luz de uma bomba de laser (regiões roxas no ressonador) gera um fóton em cada par em um comprimento de onda de luz visível (manchas vermelhas dentro e ao redor do ressonador); o outro fóton tem um comprimento de onda na parte de telecomunicações (infravermelho próximo) do espectro (manchas azuis). Da perspectiva da comunicação quântica, esses pares combinam o melhor dos dois mundos em um circuito óptico:O parceiro de luz visível pode interagir com átomos presos, íons, ou outros sistemas que servem como versões quânticas de memória de computador, enquanto o membro do comprimento de onda de telecomunicações de cada par está livre para se propagar por longas distâncias através de uma rede de fibra óptica. Crédito:S. Kelley / NIST
Alguns dos sistemas de comunicação mais avançados agora em desenvolvimento dependem das propriedades da ciência quântica para armazenar e transportar informações. Contudo, pesquisadores projetando sistemas de comunicação quântica que dependem de luz, ao invés de corrente elétrica, para transmitir informações enfrentam um dilema:os componentes ópticos que armazenam e processam informações quânticas normalmente requerem fótons de luz visível (partículas de luz) para operar. Contudo, apenas os fótons do infravermelho próximo - com comprimentos de onda cerca de 10 vezes maiores - podem transportar essa informação por quilômetros de fibras ópticas.
Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram uma nova maneira de resolver esse problema. Pela primeira vez, a equipe criou pares correlacionados quânticos compostos de um fóton visível e um fóton infravermelho próximo usando componentes ópticos baseados em chip que podem ser produzidos em massa. Esses pares de fótons combinam o melhor dos dois mundos:os parceiros de luz visível podem interagir com átomos presos, íons, ou outros sistemas que servem como versões quânticas da memória do computador, enquanto os membros do infravermelho próximo de cada par estão livres para se propagar por longas distâncias através da fibra óptica.
A conquista promete aumentar a capacidade dos circuitos baseados em luz de transmitir informações com segurança para locais distantes. Pesquisadores do NIST Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan e seus colegas da University of Maryland NanoCenter em College Park, demonstrou a correlação quântica, conhecido como emaranhamento, usando um par específico de fótons de luz visível e infravermelho próximo. Contudo, os métodos de projeto dos pesquisadores podem ser facilmente aplicados para criar muitos outros pares de luz visível / infravermelho próximo adaptados para corresponder a sistemas específicos de interesse. Além disso, os componentes óticos em miniatura que criaram os enredamentos são fabricados em grande número.
Lu, Srinivasan e seus colegas descreveram recentemente seu trabalho em Física da Natureza .
Uma das propriedades mais contra-intuitivas da mecânica quântica, o emaranhamento quântico ocorre quando dois ou mais fótons ou outras partículas são preparados de uma maneira que os torna tão intrinsecamente conectados que se comportam como uma unidade. Uma medição que determina o estado quântico de uma das partículas emaranhadas determina automaticamente o estado da outra, mesmo que as duas partículas estejam em lados opostos do universo. O emaranhamento está no cerne de muitos esquemas de informação quântica, incluindo computação quântica e criptografia.
Em muitas situações, os dois fótons que estão emaranhados têm comprimentos de onda semelhantes, ou cores. Mas os pesquisadores do NIST decidiram deliberadamente criar pares estranhos - emaranhamento entre fótons cujas cores são muito diferentes.
"Queríamos unir fótons de luz visível, que são bons para armazenar informações em sistemas atômicos, e fótons de telecomunicações, que estão no infravermelho próximo e são bons em viajar através de fibras ópticas com baixa perda de sinal, "disse Srinivasan.
Para tornar os fótons adequados para interagir com a maioria dos sistemas de armazenamento de informações quânticas, a equipe também precisava que a luz tivesse um pico nítido em um determinado comprimento de onda, em vez de ter um ponto mais amplo, distribuição mais difusa.
Para criar os pares emaranhados, a equipe construiu uma "galeria de sussurros" ótica especialmente adaptada - um ressonador de nitreto de silício de tamanho nanométrico que direciona a luz em uma pequena pista de corrida, semelhante à forma como as ondas sonoras viajam desimpedidas em torno de uma parede curva, como a cúpula da Catedral de São Paulo em Londres. Em tais estruturas curvas, conhecidas como galerias de sussurros acústicos, uma pessoa em pé perto de uma parte da parede ouve facilmente um som fraco originado em qualquer outra parte da parede.
Quando um comprimento de onda selecionado de luz laser foi direcionado para o ressonador, pares emaranhados de fótons de luz visível e infravermelho próximo emergiram. (O tipo específico de emaranhamento empregado no experimento, conhecido como emaranhamento de tempo-energia, liga a energia dos pares de fótons com o momento em que são gerados.)
"Descobrimos como projetar esses ressoadores de galeria sussurrantes para produzir um grande número dos pares que queríamos, com muito pouco ruído de fundo e outras luzes estranhas, "Disse Lu. Os pesquisadores confirmaram que o emaranhamento persistiu mesmo depois que os fótons de telecomunicações viajaram por vários quilômetros de fibra óptica.
No futuro, combinando dois dos pares emaranhados com duas memórias quânticas, o emaranhamento inerente aos pares de fótons pode ser transferido para as memórias quânticas. Esta técnica, conhecido como troca de emaranhamento, permite que as memórias se enredem umas nas outras a uma distância muito maior do que normalmente seria possível.
"Nossa contribuição foi descobrir como fazer uma fonte de luz quântica com as propriedades certas que pudessem permitir esse emaranhamento de longa distância, "Srinivasan disse.
