p Os pesquisadores do MIT desenvolveram uma maneira de gerar, à temperatura ambiente, mais fótons individuais para transportar informações quânticas. O design, eles dizem, é uma promessa para o desenvolvimento de computadores quânticos práticos. p Os emissores quânticos geram fótons que podem ser detectados um de cada vez. Os computadores e dispositivos quânticos de consumo podem potencializar certas propriedades desses fótons como bits quânticos ("qubits") para executar cálculos. Enquanto os computadores clássicos processam e armazenam informações em bits de 0s ou 1s, qubits podem ser 0 e 1 simultaneamente. Isso significa que os computadores quânticos podem potencialmente resolver problemas intratáveis ​​para os computadores clássicos.

p Um desafio importante, Contudo, está produzindo fótons únicos com propriedades quânticas idênticas - conhecidos como fótons "indistinguíveis". Para melhorar a indistinguibilidade, emissores canalizam a luz através de uma cavidade óptica onde os fótons saltam para frente e para trás, um processo que ajuda a combinar suas propriedades com a cavidade. Geralmente, quanto mais fótons permanecem na cavidade, mais eles combinam.

p Mas também há uma compensação. Em grandes cavidades, emissores quânticos geram fótons espontaneamente, resultando em apenas uma pequena fração de fótons permanecendo na cavidade, tornando o processo ineficiente. Cavidades menores extraem maiores porcentagens de fótons, mas os fótons são de qualidade inferior, ou "distinguível".

p Em um artigo publicado hoje em Cartas de revisão física , os pesquisadores dividiram uma cavidade em duas, cada um com uma tarefa designada. Uma cavidade menor lida com a extração eficiente de fótons, enquanto uma grande cavidade anexada os armazena um pouco mais para aumentar a indistinguibilidade.

p Comparado a uma única cavidade, a cavidade acoplada dos pesquisadores gerou fótons com cerca de 95 por cento indistinguível, em comparação com 80 por cento de indistinguibilidade, com eficiência cerca de três vezes maior.

p "Resumidamente, dois é melhor que um, "diz o primeiro autor Hyeongrak" Chuck "Choi, um estudante de pós-graduação no Laboratório de Pesquisa Eletrônica do MIT (RLE). "O que descobrimos é que nesta arquitetura, podemos separar os papéis das duas cavidades:A primeira cavidade se concentra apenas na coleta de fótons para alta eficiência, enquanto o segundo enfoca a indistinguibilidade em um único canal. Uma cavidade desempenhando ambas as funções não pode atender às duas métricas, mas duas cavidades atingem ambos simultaneamente. "

p Juntando-se a Choi no papel estão:Dirk Englund, um professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação, um pesquisador no RLE, e chefe do Laboratório de Fotônica Quântica; Di Zhu, um estudante de graduação em RLE; e Yoseob Yoon, um estudante de pós-graduação no Departamento de Química.

p Os relativamente novos emissores quânticos, conhecidos como "emissores de fóton único, "são criados por defeitos em materiais puros, como diamantes, nanotubos de carbono dopados, ou pontos quânticos. A luz produzida a partir desses "átomos artificiais" é capturada por uma minúscula cavidade óptica no cristal fotônico - uma nanoestrutura que age como um espelho. Alguns fótons escapam, mas outros saltam ao redor da cavidade, que força os fótons a terem as mesmas propriedades quânticas, principalmente, várias propriedades de frequência. Quando eles são medidos para corresponder, eles saem da cavidade através de um guia de ondas.

p Mas os emissores de um único fóton também experimentam toneladas de ruído ambiental, como vibrações de rede ou flutuação de carga elétrica, que produzem diferentes comprimentos de onda ou fase. Fótons com propriedades diferentes não podem ser "interferidos, "de modo que suas ondas se sobreponham, resultando em padrões de interferência. Esse padrão de interferência é basicamente o que um computador quântico observa e mede para realizar tarefas computacionais.

p A indistinguibilidade dos fótons é uma medida do potencial de interferência dos fótons. Dessa forma, é uma métrica valiosa para simular seu uso para a computação quântica prática. "Mesmo antes da interferência do fóton, com indistinguibilidade, podemos especificar a capacidade dos fótons de interferir, "Choi diz." Se conhecermos essa habilidade, podemos calcular o que vai acontecer se eles estiverem usando para tecnologias quânticas, como computadores quânticos, comunicações, ou repetidores. "

p No sistema dos pesquisadores, uma pequena cavidade fica ligada a um emissor, que em seus estudos era um defeito óptico em um diamante, chamado de "centro de vacância de silício" - um átomo de silício substituindo dois átomos de carbono em uma rede de diamante. A luz produzida pelo defeito é coletada na primeira cavidade. Por causa de sua estrutura de foco de luz, os fótons são extraídos com taxas muito altas. Então, a nanocavidade canaliza os fótons em um segundo, cavidade maior. Lá, os fótons saltam para frente e para trás por um determinado período de tempo. Quando eles atingem uma alta indistinguibilidade, os fótons saem através de um espelho parcial formado por orifícios que conectam a cavidade a um guia de ondas.

p Mais importante, Choi diz, nenhuma das cavidades precisa atender a requisitos de design rigorosos para eficiência ou indistinguibilidade das cavidades tradicionais, chamado de "fator de qualidade (fator Q)". Quanto maior o fator Q, quanto menor a perda de energia nas cavidades ópticas. Mas cavidades com alto fator Q são tecnologicamente desafiadoras de fazer.

p No estudo, a cavidade acoplada dos pesquisadores produziu fótons de maior qualidade do que qualquer sistema de cavidade única possível. Mesmo quando seu fator Q era cerca de um centésimo da qualidade do sistema de cavidade única, eles poderiam atingir a mesma indistinguibilidade com eficiência três vezes maior.

p As cavidades podem ser ajustadas para otimizar a eficiência versus indistinguibilidade - e para considerar quaisquer restrições no fator Q - dependendo da aplicação. Isso é importante, Choi acrescenta, porque os emissores de hoje que operam em temperatura ambiente podem variar muito em qualidade e propriedades.

p Próximo, os pesquisadores estão testando o limite teórico final de múltiplas cavidades. Mais uma cavidade ainda lidaria com a extração inicial de forma eficiente, mas, então, seria ligado a múltiplas cavidades que fótons para vários tamanhos para atingir alguma indistinguibilidade ideal. Mas provavelmente haverá um limite, Choi diz:"Com duas cáries, há apenas uma conexão, para que possa ser eficiente. Mas se houver várias cavidades, as múltiplas conexões podem torná-lo ineficiente. Agora estamos estudando o limite fundamental de cavidades para uso em computação quântica. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.