Uma equipe do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia conduziu uma série de experimentos para obter uma melhor compreensão da mecânica quântica e buscar avanços em redes quânticas e computação quântica, que poderia levar a aplicações práticas em segurança cibernética e outras áreas.

Pesquisadores quânticos de ORNL Joseph Lukens, Pavel Lougovski, Brian Williams, e Nicholas Peters - junto com colaboradores da Purdue University e da Technological University of Pereira, na Colômbia - resumiu os resultados de vários de seus trabalhos acadêmicos recentes em uma edição especial da Optical Society's Notícias de Óptica e Fotônica , que apresentou alguns dos resultados mais significativos de pesquisas relacionadas à óptica em 2019. A inscrição foi uma das 30 selecionadas para publicação a partir de 91.

Os "bits" convencionais de computador têm um valor de 0 ou 1, mas bits quânticos, chamado de "qubits, "pode ​​existir em uma superposição de estados quânticos rotulados de 0 e 1. Essa capacidade torna os sistemas quânticos promissores para transmissão, em processamento, armazenamento, e criptografar grandes quantidades de informações em velocidades sem precedentes.

Para estudar fótons - partículas únicas de luz que podem atuar como qubits - os pesquisadores empregaram fontes de luz chamadas pentes de frequência óptica quântica que contêm muitos comprimentos de onda precisamente definidos. Porque eles viajam na velocidade da luz e não interagem com seu ambiente, os fótons são uma plataforma natural para transportar informações quânticas por longas distâncias.

As interações entre os fótons são notoriamente difíceis de induzir e controlar, mas esses recursos são necessários para computadores quânticos eficazes e portas quânticas, que são circuitos quânticos que operam em qubits. As interações fotônicas inexistentes ou imprevisíveis tornam as portas quânticas de dois fótons muito mais difíceis de desenvolver do que as portas de um fóton padrão, mas os pesquisadores alcançaram vários marcos importantes em estudos recentes que abordaram esses desafios.

Por exemplo, eles fizeram ajustes em equipamentos de telecomunicações existentes usados ​​em pesquisas ópticas para otimizá-los para fotônica quântica. Seus resultados revelaram novas maneiras de usar esses recursos para comunicação tradicional e quântica.

"Usar este equipamento para manipular estados quânticos é a base tecnológica de todos esses experimentos, mas não esperávamos ser capazes de nos mover na outra direção e melhorar a comunicação clássica trabalhando na comunicação quântica, "Lukens disse." Estas descobertas interessantes e imprevistas apareceram à medida que nos aprofundamos nesta área de pesquisa. "

Uma dessas ferramentas, um divisor de feixe de frequência, divide um único feixe de luz em duas frequências, ou cores, de luz.

"Imagine que você tem um feixe de luz descendo por uma fibra óptica que tem uma determinada frequência, dizer, vermelho, "Lukens disse." Então, depois de passar pelo divisor de feixe de frequência, o fóton sairá como duas frequências, então será vermelho e azul. "

Os membros desta equipe foram os primeiros pesquisadores a projetar com sucesso um divisor de feixe de frequência quântica com tecnologia de comunicação de ondas de luz padrão. Este dispositivo capta fótons vermelhos e azuis simultaneamente, em seguida, produz energia na frequência vermelha ou azul. Ao usar este método para alterar deliberadamente as frequências dos fótons, a equipe enganou as partículas teimosas em interações benéficas com base na interferência quântica, o fenômeno dos fótons interferindo em suas próprias trajetórias.

"Descobriu-se que os dispositivos disponíveis no mercado podem oferecer um controle impressionante no nível de um único fóton, que as pessoas não sabiam que era possível, "Lougovski disse.

Adicionalmente, os pesquisadores concluíram a primeira demonstração de um tritter de frequência, que divide um feixe de luz em três frequências diferentes, em vez de duas. Seus resultados indicaram que várias operações de processamento de informações quânticas podem ser executadas ao mesmo tempo sem introduzir erros ou danificar os dados.

Outra conquista importante foi o design da equipe e a demonstração de uma porta NÃO controlada por coincidência, que permite a um fóton controlar uma mudança de frequência em outro fóton. Este dispositivo completou um conjunto universal de portas quânticas, o que significa que qualquer algoritmo quântico pode ser expresso como uma sequência dentro dessas portas.

"Os aplicativos de computação quântica exigem níveis de controle muito mais impressionantes do que qualquer tipo de computação clássica, "Lougovski disse.

A equipe também codificou informações quânticas em vários valores independentes, conhecidos como graus de liberdade dentro de um único fóton, o que lhes permitiu observar efeitos semelhantes ao emaranhamento quântico sem a necessidade de duas partículas separadas. O emaranhamento geralmente envolve duas partículas ligadas nas quais as alterações feitas no estado de uma partícula também se aplicam à outra.

Finalmente, os pesquisadores concluíram simulações quânticas de problemas de física do mundo real. Em colaboração com cientistas do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea, eles agora estão se desenvolvendo minúsculos, chips de silício especializados semelhantes aos comuns na microeletrônica em busca de um desempenho fotônico ainda melhor.

"Em teoria, podemos obter todas essas operações em um único chip fotônico, e vemos um grande potencial para fazer experimentos quânticos semelhantes nesta nova plataforma, "Lukens disse." Esse é o próximo passo para realmente levar essa tecnologia adiante. "

Computadores quânticos do futuro permitirão aos cientistas simular problemas científicos incrivelmente complexos que seriam impossíveis de estudar nos sistemas atuais, até mesmo supercomputadores. Enquanto isso, as descobertas da equipe podem ajudar os pesquisadores a incorporar sistemas fotônicos aos atuais recursos de computação de alto desempenho.

"Temos uma equipe muito diversificada e talentosa, "Lougovski disse." O mais importante é que estamos obtendo resultados. "