Físicos do Instituto Max Planck de Óptica Quântica conseguiram emaranhar mais de uma dúzia de fótons de maneira eficiente e definida. Eles estão, assim, criando uma base para um novo tipo de computador quântico. O estudo deles foi publicado na Nature .
Os fenômenos do mundo quântico, que muitas vezes parecem bizarros da perspectiva do mundo cotidiano comum, há muito tempo encontraram seu caminho na tecnologia. Por exemplo, emaranhamento:uma conexão física quântica entre partículas que as liga de uma maneira estranha em distâncias arbitrariamente longas. Ele pode ser usado, por exemplo, em um computador quântico – uma máquina de computação que, ao contrário de um computador convencional, pode realizar várias operações matemáticas simultaneamente. No entanto, para usar um computador quântico de forma lucrativa, um grande número de partículas emaranhadas deve trabalhar em conjunto. Eles são os elementos básicos para cálculos, os chamados qubits.

“Os fótons, as partículas de luz, são particularmente adequados para isso porque são robustos por natureza e fáceis de manipular”, diz Philip Thomas, estudante de doutorado no Instituto Max Planck de Óptica Quântica (MPQ) em Garching, perto de Munique. Juntamente com colegas da Divisão de Dinâmica Quântica liderada pelo Prof. Gerhard Rempe, ele agora conseguiu dar um passo importante para tornar os fótons utilizáveis ​​para aplicações tecnológicas como a computação quântica:pela primeira vez, a equipe gerou até 14 fótons emaranhados em forma definida e com alta eficiência.

Um átomo como fonte de fótons

"O truque para este experimento foi que usamos um único átomo para emitir os fótons e entrelaçá-los de uma maneira muito específica", diz Thomas. Para fazer isso, os pesquisadores do Max Planck colocaram um átomo de rubídio no centro de uma cavidade óptica – uma espécie de câmara de eco para ondas eletromagnéticas. Com luz laser de uma certa frequência, o estado do átomo pode ser abordado com precisão. Usando um pulso de controle adicional, os pesquisadores também acionaram especificamente a emissão de um fóton que está emaranhado com o estado quântico do átomo.

"Repetimos esse processo várias vezes e de maneira previamente determinada", relata Thomas. No meio, o átomo foi manipulado de uma certa maneira - no jargão técnico:girado. Dessa forma, foi possível criar uma cadeia de até 14 partículas leves que foram emaranhadas umas nas outras pelas rotações atômicas e levadas a um estado desejado. "Até onde sabemos, as 14 partículas de luz interconectadas são o maior número de fótons emaranhados que foram gerados em laboratório até agora", diz Thomas.

Processo de geração determinístico

Mas não é apenas a quantidade de fótons emaranhados que marca um grande passo para o desenvolvimento de poderosos computadores quânticos – a forma como eles são gerados também é muito diferente dos métodos convencionais. “Como a cadeia de fótons emergiu de um único átomo, ela pode ser produzida de maneira determinística”, explica Thomas. Isso significa:em princípio, cada pulso de controle entrega um fóton com as propriedades desejadas. Até agora, o emaranhamento de fótons geralmente acontecia em cristais especiais não lineares. A desvantagem:lá, as partículas de luz são essencialmente criadas aleatoriamente e de uma forma que não pode ser controlada. Isso também limita o número de partículas que podem ser agrupadas em um estado coletivo.

O método usado pela equipe de Garching, por outro lado, permite que basicamente qualquer número de fótons emaranhados seja gerado. Além disso, o método é particularmente eficiente - outra medida importante para possíveis aplicações técnicas futuras:"Medindo a cadeia de fótons produzida, conseguimos comprovar uma eficiência de quase 50%", diz Philip Thomas. Isso significa que quase a cada segundo "pressionar um botão" no átomo de rubídio forneceu uma partícula de luz utilizável - muito mais do que foi alcançado em experimentos anteriores. “Em suma, nosso trabalho remove um obstáculo de longa data no caminho para a computação quântica escalável e baseada em medições”, diz o diretor do departamento Gerhard Rempe.

Mais espaço para comunicação quântica

Os cientistas do MPQ querem remover mais um obstáculo. Operações de computação complexas, por exemplo, exigiriam pelo menos dois átomos como fontes de fótons no ressonador. Os físicos quânticos falam de um estado de cluster bidimensional. "Já estamos trabalhando para resolver essa tarefa", diz Philip Thomas.

O pesquisador Max Planck também enfatiza que as possíveis aplicações técnicas vão muito além da computação quântica:"Outro exemplo de aplicação é a comunicação quântica" - a transmissão de informações à prova de toque, por exemplo, por luz em uma fibra óptica. Lá, a luz sofre perdas inevitáveis ​​durante sua propagação devido a efeitos ópticos como espalhamento e absorção – o que limita a distância pela qual os dados podem ser transportados. Usando o método desenvolvido em Garching, as informações quânticas podem ser empacotadas em fótons emaranhados e também podem sobreviver a uma certa quantidade de perda de luz – e permitir uma comunicação segura em distâncias maiores. + Explorar mais

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