p Nas últimas duas décadas, avanços tremendos foram feitos no campo da ciência da informação quântica. Os cientistas estão capitalizando sobre a estranha natureza da mecânica quântica para resolver problemas difíceis em computação e comunicações, bem como na detecção e medição de sistemas delicados. Uma via de pesquisa neste campo é o processamento óptico de informações quânticas, que usa fótons - minúsculas partículas de luz com propriedades quânticas exclusivas. p Um recurso-chave para o avanço da pesquisa na ciência da informação quântica seria uma fonte que pudesse produzir fótons únicos de maneira eficiente e confiável. Contudo, porque os processos quânticos são inerentemente aleatórios, a criação de uma fonte de fótons que produz fótons únicos sob demanda apresenta um desafio a cada etapa.

p Agora, o professor de física da Universidade de Illinois, Paul Kwiat, e seu ex-pesquisador de pós-doutorado Fumihiro Kaneda (agora professor assistente do Frontier Research Institute para ciências interdisciplinares na Tohoku University) construíram o que Kwiat acredita ser "a fonte de fóton único mais eficiente do mundo". E eles ainda estão melhorando. Com atualizações planejadas, o aparelho pode gerar mais de 30 fótons com eficiências sem precedentes. Fontes desse calibre são exatamente o que é necessário para aplicações de informação quântica óptica.

p As descobertas atuais dos pesquisadores foram publicadas online em Avanços da Ciência em 4 de outubro, 2019.

p Kwiat explica, "Um fóton é a menor unidade de luz:a introdução desse conceito por Einstein em 1905 marcou o início da mecânica quântica. Hoje, o fóton é um recurso proposto em computação quântica e comunicação - suas propriedades únicas o tornam um excelente candidato para servir como um bit quântico, ou qubit. "

p "Os fótons se movem rapidamente - perfeito para transmissão de longa distância de estados quânticos - e exibem fenômenos quânticos na temperatura normal de nossa vida cotidiana, "acrescenta Kaneda." Outros candidatos promissores para qubits, como íons presos e correntes supercondutoras, são estáveis ​​apenas em condições isoladas e extremamente frias. Portanto, o desenvolvimento de fontes de fóton único sob demanda é fundamental para a realização de redes quânticas e pode permitir pequenos processadores quânticos à temperatura ambiente. "

p A data, a eficiência máxima de geração de fótons únicos anunciados úteis tem sido bastante baixa.

p Porque? Os pesquisadores de óptica quântica costumam usar um efeito óptico não linear chamado de conversão paramétrica descendente espontânea (SPDC) para produzir pares de fótons. Em um cristal projetado, dentro de um pulso de laser contendo bilhões de fótons, um único fóton de alta energia pode ser dividido em um par de fótons de baixa energia. É fundamental produzir um par de fótons:um dos dois é detectado - o que o destrói - para "anunciar" a existência do outro, a saída de fóton único da fonte de fótons.

p Mas fazer essa conversão quântica de um em dois fótons acontecer é contra todas as probabilidades.

p "SPDC é um processo quântico, e é incerto se a fonte não produzirá nada, ou um par, ou dois pares, "Kwiat observa." A probabilidade de produzir exatamente um par de fótons é de no máximo 25 por cento. "

p Professor de Física Fumihiro Kaneda, do Frontier Research Institute for Interdisciplinary Sciences da Tohoku University. Kaneda é um ex-pesquisador de pós-doutorado no grupo Kwiat no Departamento de Física, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

p Kwiat e Kaneda resolveram esse problema de baixa eficiência no SPDC usando uma técnica chamada multiplexação de tempo. Para cada corrida, a fonte SPDC é pulsada 40 vezes em intervalos iguais, produzindo caixas de tempo de 40 ", "cada um possivelmente contendo um par de fótons (embora isso raramente seja o caso). Cada vez que um par de fótons é produzido, um fóton do par aciona um interruptor óptico, que roteia o fóton irmão para um armazenamento temporário em uma linha de atraso ótico - um circuito fechado criado com espelhos. Ao saber quando o fóton entrou no loop (quando o fóton disparador foi detectado), os pesquisadores sabem exatamente quantos ciclos reter o fóton antes de desligá-lo. Desta maneira, não importa qual dos 40 pulsos produziu o par, o fóton armazenado sempre pode ser liberado ao mesmo tempo. Uma vez que todos os 40 pulsos ocorreram, quaisquer fótons armazenados são liberados juntos, como se eles viessem do mesmo compartimento de tempo.

p Comentários Kwiat, "Mapeando um monte de possibilidades diferentes, todas as caixas de tempo diferentes, para um - aumenta muito a probabilidade de você ver algo. "

p Pulsar a fonte 40 vezes essencialmente garante que pelo menos um par de fótons seja produzido para cada corrida.

p O que mais, a linha de atraso em que os fótons são armazenados tem uma taxa de perda de apenas 1,2% por ciclo; porque a fonte está sendo pulsada tantas vezes, ter uma baixa taxa de perdas é crucial. De outra forma, os fótons produzidos nos primeiros pulsos podem ser facilmente perdidos.

p Quando os fótons são finalmente liberados, eles são acoplados a uma fibra óptica monomodo com alta eficiência. Este é o estado em que os fótons precisam estar para serem úteis em aplicações de informações quânticas.

p Kwiat aponta, o aumento de eficiência na geração de fótons dessa maneira é significativo. Se, por exemplo, um aplicativo chamado para uma fonte de 12 fótons, era possível alinhar seis fontes SPDC independentes e esperar por um evento quando cada uma delas produzisse simultaneamente um único par.

p "O melhor experimento competitivo do mundo no momento, usando esses vários estados de fótons, teve que esperar algo como dois minutos até obter um único evento, "Kwiat observa." Eles estão pulsando a 80 milhões de vezes por segundo - eles estão tentando muito, com muita frequência - mas é apenas uma vez a cada dois minutos que eles obtêm esse evento em que cada fonte produz exatamente um par de fótons.

p "Podemos calcular com base em nossa taxa a probabilidade de sermos capazes de produzir algo assim. Na verdade, estamos dirigindo um pouco mais devagar, portanto, estamos apenas fazendo a tentativa a cada 2 microssegundos - eles estão tentando 160 vezes mais - mas, como nossa eficiência é muito maior usando a multiplexação, seríamos capazes de produzir algo como 4, 000 eventos de 12 fótons por segundo. "

p Em outras palavras, A taxa de produção de Kwiat e Kaneda é de cerca de 500, 000 vezes mais rápido.

p Contudo, como Kwiat observa, alguns problemas ainda precisam ser resolvidos. Um problema decorre da natureza aleatória do processo de conversão descendente:há uma chance de que, em vez de um único par de fótons, vários pares de fótons poderiam ser produzidos. Além disso, porque o processo de conversão descendente usado neste experimento foi relativamente ineficiente, a fonte foi "impulsionada" a uma taxa mais alta, aumentando a probabilidade de que tais pares múltiplos indesejados sejam gerados.

p Mesmo levando em conta os eventos potenciais de multi-fótons, o nível de eficiência deste experimento foi um recorde mundial.

p Então o que vem depois, e como a equipe Kwiat abordará esses raros eventos multifotônicos indesejados?

p Colin Lualdi, um atual estudante de graduação trabalhando no grupo de pesquisa de Kwiat, está trabalhando na atualização da fonte com detectores de resolução de número de fótons que descartariam eventos multifotônicos antes que a linha de atraso fosse acionada para armazená-los. Essa melhoria eliminaria completamente o problema de eventos multifotônicos.

p Outra área de pesquisa em andamento para a equipe de Kwiat vai melhorar a eficiência de partes individuais do aparelho de fonte de fóton único. Lualdi acredita que melhorias futuras levarão a taxa de produção de fóton único muito além do experimento atual.

p "O objetivo final é ser capaz de preparar estados quânticos puros únicos que possamos usar para codificar e processar informações de maneiras que superem as abordagens clássicas, "Lualdi explica." É por isso que é tão importante que essas fontes produzam fótons individuais. Se a fonte gerar inesperadamente dois fótons em vez de um, então não temos o bloco de construção básico de que precisamos. "

p E para ser capaz de realizar qualquer tipo de processamento de informação quântica significativa com esses qubits fotônicos, um grande suprimento é necessário.

p Como Kwiat coloca, "O campo está indo além dos experimentos com apenas um ou dois fótons. As pessoas agora estão tentando fazer experimentos com 10 a 12 fótons, e, eventualmente, gostaríamos de ter 50 a 100 fótons. "

p Kwiat extrapola que as melhorias feitas neste trabalho podem abrir caminho em direção à capacidade de gerar mais de 30 fótons em altas eficiências. Os resultados de Kwiat e Kaneda nos levaram um passo mais perto de tornar o processamento óptico de informações quânticas uma realidade.