Pesquisadores da University of Rochester e da Cornell University deram um passo importante para o desenvolvimento de uma rede de comunicações que troca informações por longas distâncias usando fótons, medidas de luz sem massa que são elementos-chave da computação quântica e dos sistemas de comunicação quântica.

A equipe de pesquisa projetou um nó em nanoescala feito de materiais magnéticos e semicondutores que podem interagir com outros nós, usando luz laser para emitir e aceitar fótons.

O desenvolvimento de tal rede quântica - projetada para tirar proveito das propriedades físicas da luz e da matéria caracterizadas pela mecânica quântica - promete mais rápido, maneiras mais eficientes de se comunicar, calcular, e detectar objetos e materiais em comparação com as redes usadas atualmente para computação e comunicações.

Descrito no jornal Nature Communications , o nó consiste em uma série de pilares com apenas 120 nanômetros de altura. Os pilares são parte de uma plataforma contendo camadas atomicamente finas de materiais semicondutores e magnéticos.

A matriz é projetada para que cada pilar sirva como um marcador de localização para um estado quântico que pode interagir com os fótons e os fótons associados podem potencialmente interagir com outros locais no dispositivo - e com matrizes semelhantes em outros locais. Este potencial para conectar nós quânticos através de uma rede remota capitaliza o conceito de emaranhamento, um fenômeno da mecânica quântica que, em seu nível básico, descreve como as propriedades das partículas estão conectadas no nível subatômico.

“Este é o começo de ter uma espécie de registro, se você gostar, onde diferentes localizações espaciais podem armazenar informações e interagir com os fótons, "diz Nick Vamivakas, professor de óptica quântica e física quântica em Rochester.

Rumo à 'miniaturização de um computador quântico'

O projeto se baseia no trabalho que o Laboratório Vamivakas conduziu nos últimos anos usando disseleneto de tungstênio (WSe2) nas chamadas heteroestruturas de Van der Waals. Esse trabalho usa camadas de materiais atomicamente finos umas sobre as outras para criar ou capturar fótons individuais.

O novo dispositivo usa um novo alinhamento de WSe2 estendido sobre os pilares com uma base, camada altamente reativa de triiodeto de cromo (CrI3). Onde o atomicamente fino, Camadas de área de 12 mícrons se tocam, o CrI3 transmite uma carga elétrica para o WSe2, criando um "buraco" ao lado de cada um dos pilares.

Na física quântica, um buraco é caracterizado pela ausência de um elétron. Cada buraco carregado positivamente também tem uma propriedade magnética norte / sul binária associada a ele, para que cada um seja também um nanoímã

Quando o dispositivo é banhado por luz laser, outras reações ocorrem, transformando os nanoímãs em arranjos de spin opticamente ativos individuais que emitem e interagem com os fótons. Considerando que o processamento de informação clássico lida com bits que têm valores de zero ou um, estados de rotação podem codificar zero e um ao mesmo tempo, ampliando as possibilidades de processamento de informações.

"Ser capaz de controlar a orientação de rotação do orifício usando CrI3 ultrafino e grande de 12 mícrons, substitui a necessidade de usar campos magnéticos externos de bobinas magnéticas gigantescas semelhantes às usadas em sistemas de ressonância magnética, "diz o autor principal e estudante de pós-graduação Arunabh Mukherjee." Isso irá percorrer um longo caminho na miniaturização de um computador quântico baseado em spins de um único buraco. "

Ainda está por vir:Emaranhamento à distância?

Dois grandes desafios enfrentaram os pesquisadores na criação do dispositivo.

Um era criar um ambiente inerte para trabalhar com o CrI3 altamente reativo. Foi aqui que entrou em ação a colaboração com a Cornell University. "Eles têm muita experiência com o triiodeto de cromo e, como estávamos trabalhando com ele pela primeira vez, coordenamos com eles nesse aspecto, "Vamivakas diz. Por exemplo, a fabricação do CrI3 foi feita em caixas de luvas cheias de nitrogênio para evitar a degradação do oxigênio e da umidade.

O outro desafio era determinar a configuração correta de pilares para garantir que os buracos e vales de rotação associados a cada pilar pudessem ser registrados corretamente para, eventualmente, se conectar a outros nós.

E aí está o próximo grande desafio:encontrar uma maneira de enviar fótons a longas distâncias através de uma fibra óptica para outros nós, preservando suas propriedades de emaranhamento.

"Ainda não projetamos o dispositivo para promover esse tipo de comportamento, "Vamivakas diz." Isso é mais adiante. "