Engenheiros da Caltech mostraram que átomos em cavidades ópticas - pequenas caixas para luz - podem ser fundamentais para a criação de uma Internet quântica. Seu trabalho foi publicado no dia 30 de março pela revista. Natureza .

Redes quânticas conectariam computadores quânticos por meio de um sistema que também opera em um sistema quântico, ao invés de clássico, nível. Em teoria, os computadores quânticos um dia serão capazes de realizar certas funções mais rápido do que os computadores clássicos, tirando proveito das propriedades especiais da mecânica quântica, incluindo superposição, que permite que bits quânticos armazenem informações como 1 e 0 simultaneamente.

Como podem com computadores clássicos, os engenheiros gostariam de poder conectar vários computadores quânticos para compartilhar dados e trabalhar juntos - criando uma "internet quântica". Isso abriria a porta para vários aplicativos, incluindo a resolução de cálculos que são muito grandes para serem manipulados por um único computador quântico e o estabelecimento de comunicações seguras inquebráveis ​​usando criptografia quântica.

Para trabalhar, uma rede quântica precisa ser capaz de transmitir informações entre dois pontos sem alterar as propriedades quânticas da informação que está sendo transmitida. Um modelo atual funciona assim:um único átomo ou íon atua como um bit quântico (ou "qubit"), armazenando informações por meio de um de suas propriedades quânticas, como spin. Para ler essas informações e transmiti-las para outro lugar, o átomo é excitado com um pulso de luz, fazendo com que ele emita um fóton cujo spin está emaranhado com o spin do átomo. O fóton pode então transmitir as informações emaranhadas com o átomo por uma longa distância por meio de um cabo de fibra ótica.

É mais difícil do que parece, Contudo. Encontrar átomos que você pode controlar e medir, e que também não são muito sensíveis às flutuações do campo magnético ou elétrico que causam erros, ou decoerência, é desafiador.

"Os emissores de estado sólido que interagem bem com a luz muitas vezes são vítimas de decoerência; isto é, eles param de armazenar informações de uma forma que seja útil para a perspectiva da engenharia quântica, "diz Jon Kindem (MS '17, Ph.D. '19), autor principal do Natureza papel. Enquanto isso, átomos de elementos de terras raras - que têm propriedades que os tornam úteis como qubits - tendem a interagir mal com a luz.

Para superar este desafio, pesquisadores liderados por Andrei Faraon da Caltech (BS '04), professor de física aplicada e engenharia elétrica, construiu uma cavidade nanofotônica, um feixe de cerca de 10 mícrons de comprimento com nano-padronização periódica, esculpido em um pedaço de cristal. Eles então identificaram um íon itérbio de terras raras no centro do feixe. A cavidade óptica permite que eles reflitam a luz para frente e para trás no feixe várias vezes até que ela seja finalmente absorvida pelo íon.

No Natureza papel, a equipe mostrou que a cavidade modifica o ambiente do íon de tal forma que sempre que ele emite um fóton, mais de 99 por cento do tempo que o fóton permanece na cavidade, onde os cientistas podem coletar e detectar com eficiência esse fóton para medir o estado do íon. Isso resulta em um aumento na taxa na qual o íon pode emitir fótons, melhorando a eficácia geral do sistema.

Além disso, os íons itérbio são capazes de armazenar informações em seu spin por 30 milissegundos. Neste momento, a luz pode transmitir informações para viajar através do território continental dos Estados Unidos. "Isso verifica a maioria das caixas. É um íon de terra rara que absorve e emite fótons exatamente da maneira que precisaríamos para criar uma rede quântica, "diz Faraon, professor de física aplicada e engenharia elétrica. "Isso poderia formar a tecnologia de base para a internet quântica."

Atualmente, o foco da equipe está na criação dos blocos de construção de uma rede quântica. Próximo, eles esperam aumentar seus experimentos e realmente conectar dois bits quânticos, Faraon diz.

O artigo é intitulado "Controle e leitura de um íon embutido em uma cavidade nanofotônica".