As memórias quânticas são um dos blocos de construção da futura internet quântica. Sem eles, seria impossível transmitir informações quânticas por longas distâncias e expandir para uma rede quântica real. Essas memórias têm a missão de receber a informação quântica codificada em um fóton na forma de qubits, armazená-la e depois recuperá-la. As memórias quânticas podem ser realizadas em diferentes sistemas materiais, por exemplo, conjuntos de átomos frios ou cristais dopados.
Para serem memórias úteis, elas precisam atender a diversos requisitos, como eficiência, duração e multiplexação de sua capacidade de armazenamento, para garantir a qualidade da comunicação quântica que suportarão. Um outro requisito que se tornou uma questão de pesquisa considerável é projetar memórias quânticas que possam ser integradas diretamente na rede de fibra óptica.

Nos últimos anos e com o boom das tecnologias quânticas, tem havido muito trabalho orientado para melhorar a escalabilidade das memórias quânticas existentes (torná-las dispositivos menores e/ou mais simples) para facilitar sua integração e implantação em uma rede de trabalho real. Essa abordagem totalmente integrada vem com vários obstáculos físicos e de engenharia, incluindo encontrar uma solução que preserve boas propriedades de coerência, fornecendo um sistema eficiente e estável para transferir fótons de fibras ópticas para a memória quântica, bem como a miniaturização do sistema de controle de a memória quântica e sua interface com a luz recebida. Tudo isso deve ser realizado enquanto se atinge o mesmo nível de desempenho obtido nas versões "padrão" em massa do dispositivo. Até agora, isso se mostrou desafiador, e as realizações atuais de memórias quânticas integradas a fibras estão longe do que pode ser alcançado em memórias em massa.

Com esses objetivos claros, em um trabalho recente publicado na revista Science Advances , os pesquisadores do ICFO Jelena Rakonjac, Dario Lago-Rivera, Alessandro Seri e Samuele Grandi, liderados pelo ICREA Prof. do ICFO Hugues de Riedmatten, em colaboração com Giacomo Corrielli e Roberto Osellame do IFN-CNR e Margherita Mazzera da Heriot-Watt University, foi capaz de demonstrar o entrelaçamento entre uma memória quântica integrada por fibra e um fóton de comprimento de onda de telecomunicações.

Uma memória quântica especial

Em seu experimento, a equipe usou um cristal dopado com praseodímio como sua memória quântica. Um guia de ondas foi então gravado a laser dentro da memória. Este é um canal em escala micrométrica dentro do cristal que confina e guia o fóton em um espaço apertado. Duas fibras ópticas idênticas foram então anexadas a ambos os lados do cristal para fornecer uma interface direta entre os fótons que transportam informações quânticas e a memória. Essa configuração experimental permitiu uma conexão totalmente em fibra entre a memória quântica e uma fonte de fótons.

Para provar que essa memória quântica integrada pode armazenar emaranhamento, a equipe usou uma fonte de pares de fótons emaranhados, onde um fóton é compatível com a memória, enquanto o outro está no comprimento de onda das telecomunicações. Com esta nova configuração, eles foram capazes de armazenar fótons de 2 µs até 28 µs e preservar o emaranhamento dos pares de fótons após o armazenamento. O resultado obtido é uma grande melhoria porque o tempo de armazenamento de emaranhamento mostrado pela equipe é 1.000 vezes maior (três ordens de magnitude) do que qualquer outro dispositivo integrado a fibra usado até agora, aproximando-se dos desempenhos observados em memórias quânticas em massa.

Isso foi possível graças à natureza totalmente integrada do dispositivo, que permitiu o uso de um sistema de controle mais sofisticado do que as realizações anteriores. Por fim, como o emaranhamento foi compartilhado entre um fóton visível armazenado na memória quântica e um em comprimentos de onda de telecomunicações, a equipe também provou que o sistema é totalmente compatível com a infraestrutura de telecomunicações e adequado para comunicação quântica de longa distância.

A demonstração desse tipo de memória quântica integrada abre muitas novas possibilidades, principalmente em relação à multiplexação, escalabilidade e integração adicional. Como Jelena Rakonjac enfatiza, "este experimento nos deu grandes esperanças no sentido de que imaginamos que muitos guias de onda podem ser fabricados em um cristal, o que permitiria que muitos fótons fossem armazenados simultaneamente em uma pequena região e maximizassem as características de capacidade do memória quântica. Como o dispositivo já é acoplado a fibra, ele também pode ser mais facilmente conectado a outros componentes baseados em fibra."

Hugues de Riedmatten conclui afirmando que "estamos entusiasmados com este resultado que abre muitas possibilidades para memórias integradas em fibra. O que está claro é que este material específico e a forma de criar guias de ondas nos permite alcançar performances próximas às memórias em massa. No futuro, estender o armazenamento para os estados de rotação permitirá a recuperação sob demanda dos fótons armazenados e levará aos longos tempos de armazenamento que buscamos. Essa memória quântica integrada à fibra definitivamente mostra uma grande promessa para uso futuro em redes quânticas." + Explorar mais

Pesquisadores alcançam emaranhamento recorde de memórias quânticas