Computadores quânticos super-rápidos e dispositivos de comunicação podem revolucionar inúmeros aspectos de nossas vidas - mas, primeiro, pesquisadores precisam de um rápido, fonte eficiente dos pares emaranhados de fótons que esses sistemas usam para transmitir e manipular informações. Pesquisadores do Stevens Institute of Technology fizeram exatamente isso, não apenas criando uma fonte de fótons baseada em chip 100 vezes mais eficiente do que anteriormente possível, mas trazendo integração massiva de dispositivos quânticos ao nosso alcance.

"Há muito se suspeita que isso era possível em teoria, mas somos os primeiros a mostrar isso na prática, "disse Yuping Huang, Gallagher professor associado de física e diretor do Center for Quantum Science and Engineering.

Para criar pares de fótons, os pesquisadores prendem a luz em microcavidades em nanoescala cuidadosamente esculpidas; conforme a luz circula na cavidade, seus fótons ressoam e se dividem em pares emaranhados. Mas há um problema:no momento, tais sistemas são extremamente ineficientes, exigindo uma torrente de luz laser incidente compreendendo centenas de milhões de fótons antes que um único par de fótons emaranhados goteje relutantemente na outra extremidade.

Huang e colegas da Stevens desenvolveram agora uma nova fonte de fótons baseada em chip que é 100 vezes mais eficiente do que qualquer dispositivo anterior, permitindo a criação de dezenas de milhões de pares de fótons emaranhados por segundo a partir de um único feixe de laser alimentado por microwatt.

"Este é um grande marco para as comunicações quânticas, "disse Huang, cujo trabalho aparecerá na edição de 17 de dezembro da Cartas de revisão física .

Trabalhando com os alunos de pós-graduação de Stevens, Zhaohui Ma e Jiayang Chen, Huang baseou-se em pesquisas anteriores de seu laboratório para esculpir microcavidades de altíssima qualidade em flocos de cristal de niobato de lítio. As cavidades em forma de pista de corrida refletem internamente os fótons com muito pouca perda de energia, permitindo que a luz circule por mais tempo e interaja com maior eficiência.

Ajustando fatores adicionais, como temperatura, a equipe foi capaz de criar uma fonte brilhante sem precedentes de pares de fótons emaranhados. Na prática, que permite que pares de fótons sejam produzidos em quantidades muito maiores para uma determinada quantidade de luz que entra, reduzindo drasticamente a energia necessária para alimentar os componentes quânticos.

A equipe já está trabalhando em maneiras de refinar ainda mais o processo, e dizem que esperam alcançar em breve o verdadeiro Santo Graal da óptica quântica:um sistema com que pode transformar um único fóton que chega em um par emaranhado de fótons que saem, com praticamente nenhum desperdício de energia ao longo do caminho. "É definitivamente alcançável, "disse Chen." Neste ponto, só precisamos de melhorias incrementais. "

Até então, a equipe planeja continuar refinando sua tecnologia, e buscando maneiras de usar sua fonte de fótons para conduzir portas lógicas e outros componentes de computação quântica ou comunicação. "Como essa tecnologia já é baseada em chip, estamos prontos para começar a aumentar a escala integrando outros componentes ópticos passivos ou ativos, "explicou Huang.

O objetivo final, Huang disse, é tornar os dispositivos quânticos tão eficientes e baratos de operar que possam ser integrados aos dispositivos eletrônicos convencionais. "Queremos trazer a tecnologia quântica para fora do laboratório, para que possa beneficiar cada um de nós, "ele explicou." Algum dia em breve, queremos que as crianças tenham laptops quânticos em suas mochilas, e estamos nos esforçando para tornar isso uma realidade. "