Pesquisadores da Universidade de Basel e Ruhr-Universität Bochum perceberam pontos quânticos - minúsculas nanoestruturas semicondutoras - que emitem luz perto da parte vermelha do espectro com ruído de fundo ultrabaixo. Os pontos quânticos podem um dia constituir a base dos computadores quânticos; as partículas de luz, também chamados de fótons, serviriam então como portadores de informações. Os pontos quânticos com propriedades ópticas adequadas só haviam sido obtidos anteriormente para fótons com comprimentos de onda na faixa do infravermelho próximo. Agora, os pesquisadores conseguiram criar estados de baixo ruído em comprimentos de onda entre 700 e 800 nanômetros, ou seja, perto da faixa vermelha visível. Isso seria, por exemplo, permitir o acoplamento a outros sistemas fotônicos. Eles descrevem suas descobertas no jornal Nature Communications a partir de 21 de setembro de 2020.

Diferentes comprimentos de onda necessários

Os sistemas de comunicação quântica requerem fótons de diferentes comprimentos de onda. Para comunicação em longas distâncias, o principal requisito é evitar perdas de sinal; comprimentos de onda em torno de 1, 550 nanômetros podem ser usados ​​para essa finalidade. Para distâncias curtas, por outro lado, são necessários fótons que possam ser detectados da forma mais eficaz possível e conectados a outros sistemas de memória quântica. Isso seria possível com luz vermelha, ou mais precisamente com comprimentos de onda entre 700 e 800 nanômetros. Os detectores de fótons disponíveis atualmente têm sua maior sensibilidade nesta faixa. Além disso, partículas de luz desta frequência podem ser acopladas a um sistema de armazenamento de rubídio.

Para que as informações em um sistema quântico sejam codificadas com precisão, manipulado e lido em voz alta, emissão óptica estável é crucial. Isso é exatamente o que os pesquisadores conseguiram agora para fótons próximos à faixa do vermelho visível.

Menor teor de alumínio é a chave para o sucesso

O projeto foi um empreendimento colaborativo entre uma equipe de jovens físicos liderados pelo Professor Richard Warburton do Grupo de Nano-Fotônica baseado em Basel e o Professor Andreas Wieck, Dr. Arne Ludwig, Dr. Julian Ritzmann e colegas da cadeira de Física do Estado Sólido Aplicada em Bochum. Os pesquisadores converteram os pontos quânticos em um semicondutor feito de arseneto de gálio. Uma vez que o sistema deve ser resfriado com hélio líquido, ele opera a baixas temperaturas de menos 269 graus Celsius.

Um dos principais desafios foi projetar um diodo com pontos quânticos de arseneto de gálio que emita fótons de forma confiável nessas baixas temperaturas. A equipe baseada em Bochum produziu camadas de arsenieto de gálio-alumínio com uma concentração de alumínio mais baixa do que o normal, que melhorou a condutividade e estabilidade das camadas. A equipe da Nanofotônica então usou esse material para os experimentos em Basel.

Sistema acoplado em andamento

Na próxima etapa, os pesquisadores estão planejando combinar os pontos quânticos recém-desenvolvidos com um dispositivo de memória quântica de rubídio. Tais estruturas híbridas seriam um primeiro passo para aplicações práticas em redes de comunicação quântica futuras.