Para processar informações, os fótons devem interagir. Contudo, esses minúsculos pacotes de luz não querem ter nada a ver uns com os outros, cada um passando sem alterar o outro. Agora, pesquisadores do Stevens Institute of Technology persuadiram os fótons a interagir uns com os outros com eficiência sem precedentes - um avanço importante para a realização de tecnologias de óptica quântica há muito aguardadas para computação, comunicação e sensoriamento remoto.

O time, liderado por Yuping Huang, professor associado de física e diretor do Centro de Ciência e Engenharia Quântica, nos aproxima desse objetivo com um chip de nanoescala que facilita as interações de fótons com muito mais eficiência do que qualquer sistema anterior. O novo método, relatado como um memorando na edição de 18 de setembro da Optica , funciona com níveis de energia muito baixos, sugerindo que ele poderia ser otimizado para funcionar no nível de fótons individuais - o Santo Graal para computação quântica à temperatura ambiente e comunicação quântica segura.

"Estamos expandindo os limites da física e da engenharia óptica para trazer o processamento de sinais quânticos e totalmente ópticos para mais perto da realidade, "disse Huang.

Para alcançar este avanço, A equipe de Huang disparou um feixe de laser em uma microcavidade em forma de pista de corrida esculpida em uma lasca de cristal. Conforme a luz do laser salta pela pista de corrida, seus fótons confinados interagem uns com os outros, produzindo uma ressonância harmônica que faz com que parte da luz circulante mude o comprimento de onda.

Esse não é um truque totalmente novo, mas Huang e colegas, incluindo o estudante de graduação Jiayang Chen e o cientista pesquisador sênior Yong Meng Sua, aumentou drasticamente sua eficiência usando um chip feito de niobato de lítio no isolador, um material que possui uma forma única de interagir com a luz. Ao contrário do silício, O niobato de lítio é difícil de atacar quimicamente com gases reativos comuns. Então, a equipe de Stevens usou uma ferramenta de moagem de íons, essencialmente um nanossandblaster, para gravar uma pequena pista de corrida com cerca de um centésimo da largura de um cabelo humano.

Antes de definir a estrutura da pista, a equipe precisava aplicar pulsos elétricos de alta tensão para criar áreas cuidadosamente calibradas de polaridade alternada, ou poling periódico, que ajustam a maneira como os fótons se movem na pista, aumentando sua probabilidade de interagir uns com os outros.

Chen explicou que para gravar a pista de corrida no chip e ajustar a forma como os fótons se movem em torno dela, requer dezenas de etapas delicadas de nanofabricação, cada um exigindo precisão nanométrica. "Para o melhor de nosso conhecimento, estamos entre os primeiros grupos a dominar todas essas etapas de nanofabricação para construir este sistema - essa é a razão pela qual poderíamos obter este resultado primeiro. "

Seguindo em frente, Huang e sua equipe pretendem aumentar a capacidade da pista de cristal de confinar e recircular a luz, conhecido como seu fator Q. A equipe já identificou maneiras de aumentar seu fator Q por um fator de pelo menos 10, mas cada nível acima torna o sistema mais sensível a flutuações de temperatura imperceptíveis - alguns milhares de graus - e requer um ajuste fino cuidadoso.

Ainda, a equipe de Stevens diz que está se aproximando de um sistema capaz de gerar interações no nível de um único fóton de forma confiável, um avanço que permitiria a criação de muitos componentes de computação quântica poderosos, como portas lógicas fotônicas e fontes de emaranhamento, que ao longo de um circuito, pode propor várias soluções para o mesmo problema simultaneamente, possivelmente permitindo cálculos que poderiam levar anos para serem resolvidos em segundos.

Ainda podemos demorar um pouco desse ponto, Chen disse, mas para os cientistas quânticos, a jornada será emocionante. "É o Santo Graal, "disse Chen, o autor principal do artigo. "E no caminho para o Santo Graal, estamos percebendo muita física que ninguém fez antes. "