No futuro, a física quântica poderia se tornar o garante da tecnologia da informação segura. Para alcançar isto, partículas individuais de luz - fótons - são usadas para transmissão segura de dados. As descobertas de físicos do Instituto Max Planck para Pesquisa do Estado Sólido podem desempenhar um papel fundamental. Os pesquisadores acidentalmente encontraram uma fonte de luz que gera um par de fótons a partir da energia de um elétron. Uma dessas partículas de luz tem o potencial de servir como portadora da frágil informação quântica, o outro, como um mensageiro para fornecer notificação prévia de seu irmão gêmeo.

Em contraste com a comunicação quântica, um cozinheiro tem o luxo de poder ver se todos os ingredientes de que precisa para uma receita estão no armário. Afinal, a farinha não estraga no momento em que você olha para ela. Um físico tentando testar se um procedimento para transmitir informações quânticas funcionou conforme planejado está em uma posição muito mais complicada. Objetos quânticos mudam de estado quando são observados, ou seja, medido. Na comunicação quântica, isso dificulta o controle das informações transmitidas pelos fótons. Mas esse é o ponto extremamente importante. Todo contato com o meio ambiente pode destruir as informações quânticas transportadas pelos fótons, e, além disso, fontes de partículas de luz individuais geralmente geram fótons únicos de forma muito irregular. Como você garante que um fóton está a caminho sem medi-lo? Pares de fótons são a solução. Um fóton pode servir de mensageiro para seu gêmeo.

Uma fonte inesperada de pares de fótons

Cientistas do Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido descobriram agora uma fonte inesperada de tais pares de fótons:um microscópio de tunelamento de varredura. Os pesquisadores normalmente usam um microscópio desse tipo para estudar as superfícies de materiais condutores ou semicondutores. O microscópio é baseado em um efeito conhecido como tunelamento quântico. Isso descreve como os elétrons têm uma certa probabilidade de passar por uma barreira que, de acordo com a física clássica, eles normalmente não seriam capazes de atravessar. Em um microscópio de tunelamento de varredura, uma tensão é aplicada a uma ponta metálica, fazendo com que os elétrons entrem em um túnel em uma curta distância até uma amostra. Se um elétron perde energia durante este processo de tunelamento, a luz é produzida.

É exatamente essa luz que os físicos de Stuttgart vêm investigando há vários anos. Seu trabalho agora levou a uma observação surpreendente:durante o tunelamento, além de partículas de luz individuais, pares de fótons também são formados, a uma taxa de 10, 000 vezes maior do que a teoria prevê. "De acordo com a teoria, a probabilidade de formação de um par de fótons é tão baixa que nunca deveríamos vê-lo, "explica o cientista Christopher Leon." Mas nosso experimento mostra que os pares de fótons estão sendo gerados em uma taxa muito mais alta. Foi uma grande surpresa para nós. "

Os físicos mediram os pares de fótons usando dois detectores, permitindo-lhes medir o intervalo de tempo entre os fótons que chegam. "No momento em que um par de fótons se forma em uma junção de tunelamento, eles têm menos de 50 trilionésimos de segundo de intervalo, "explica o principal cientista Klaus Kuhnke. Por enquanto, é impossível dizer se os fótons são realmente produzidos simultaneamente ou em rápida sucessão. A resolução dos detectores ainda não é alta o suficiente.

Novos aplicativos para junções de tunelamento

As descobertas abrem novas aplicações em fotônica e comunicação quântica para junções de tunelamento. Os cientistas já sabem de processos que geram pares de fótons, mas a maioria deles usa luz laser intensa. Em contraste, o método desenvolvido pelos cientistas do Max Planck em Stuttgart é puramente eletrônico.

Além disso, os componentes necessários são muito pequenos, e o processo ocorre em escala atômica. Isso significa que a nova fonte de luz também pode ser usada em futuras gerações de chips de computador, substituição de componentes eletrônicos por ópticos. Uma vantagem de empregar fótons é que eles prometem uma transmissão de dados rápida e sem perdas. Os pares de fótons no experimento realizado pelos pesquisadores de Stuttgart foram extremamente rápidos, mas o vácuo ultra-alto e as temperaturas muito baixas exigidas pelo experimento continuam sendo um desafio prático.

O próximo passo para os cientistas é descobrir se a medição de um fóton afeta diretamente o estado do outro. Se então, as partículas de luz ficariam emaranhadas. Partículas emaranhadas desse tipo são cruciais na criptografia quântica. Os resultados também levantam questões fundamentais sobre como os pares de fótons são formados. Até agora, o processo foi praticamente esquecido de uma base teórica. "O fato de pares de fótons serem gerados indica que um processo complicado deve estar ocorrendo, "diz o teórico Olle Gunnarsson. Klaus Kern, Diretor do Instituto Max Planck para Pesquisa de Estado Sólido, concorda que o processo é emocionante:"É emocionante porque abre uma nova perspectiva sobre como a luz é produzida."