A ciência da informação quântica é verdadeiramente fascinante – pares de partículas minúsculas podem ser emaranhados de tal forma que uma operação em qualquer uma delas afetará ambas, mesmo que estejam fisicamente separadas. Um processo aparentemente mágico chamado teletransporte pode compartilhar informações entre diferentes sistemas quânticos distantes.



Esses diferentes sistemas podem ser acoplados por meio de processos quânticos para formar redes de comunicação quântica. Comunicações seguras, computação quântica distribuída e detecção quântica são apenas algumas das notáveis ​​aplicações potenciais.

Ao longo de mais de três décadas de Quantum 2.0 - o período de P&D quântico que cobre o desenvolvimento de dispositivos, sistemas e protocolos quânticos para gerar e usar emaranhamento quântico - a grande maioria dos experimentos exigiu óptica volumosa e esquemas de alinhamento especializados, muitas vezes abrangendo grandes ópticas para fins especiais. mesas que flutuam pneumaticamente para evitar as menores vibrações mecânicas.

Da mesma forma que a electrónica integrada de silício miniaturizada permitiu a evolução dos processadores de computador, desde conjuntos de condensadores, tubos e ímanes em grande escala até minúsculos mas poderosos microchips contendo milhões e milhões de componentes nos quais se baseiam as nossas tecnologias modernas e "inteligentes"; os componentes e processos quânticos precisam ser miniaturizados usando óptica integrada para preparar o caminho para a implantação e uso em larga escala da ciência da informação quântica, além dos experimentos em escala de laboratório e para usos na vida real.

O carboneto de silício (SiC) é uma plataforma líder para processos integrados – impulsionada nos últimos anos pelo seu uso em sistemas eletrônicos integrados de tecnologias verdes, como veículos elétricos. Esta aplicação levou a melhorias significativas na qualidade dos wafers de SiC, formato base para a criação de dispositivos integrados.

No domínio da ciência quântica, o SiC emergiu como um material promissor para Fotônica Quântica Integrada (IQP), superando problemas de escalabilidade vistos em outros materiais como o silício. As propriedades únicas do SiC o tornam ideal para processos ópticos quânticos integrados, mas persistem desafios no aproveitamento de todo o seu potencial. Avanços recentes na geração de fótons emaranhados em microchips de SiC marcam um passo significativo para desbloquear suas capacidades para aplicações quânticas práticas.

Em um novo artigo publicado em Light:Science &Applications , cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) em Gaithersburg, MD e da Universidade Carnegie Mellon de Pittsburg, PA relataram a primeira demonstração de uma fonte de fótons emaranhados em escala de chip em SiC.

O dispositivo é implementado por um processo não linear de alta ordem conhecido como mistura espontânea de quatro ondas (SFWM) usando um ressonador de microanel óptico integrado padronizado em uma plataforma 4H-SiC-on-isolante.

O experimento é projetado de forma que os pares de fótons (sinal e intermediário) estejam no comprimento de onda das telecomunicações e sejam ideais para serem transmitidos em fibras ópticas (o que é importante para comunicações quânticas e redes quânticas) e sejam criados de forma a serem emaranhados em tempo e energia (conhecido como emaranhamento tempo-energia). Os pesquisadores relatam a geração de pares de fótons emaranhados de alta qualidade e pureza.

Esses pesquisadores resumem os recursos do novo dispositivo, afirmando:"Nossos resultados, incluindo uma proporção máxima de coincidência para acidente> 600 para uma taxa de par de fótons no chip de (9 ± 1) × 10 ³ pares/s e potência de bomba de 0,17 mW, um anunciado ???? ⁽²⁾ (0) na ordem de 10 ^-3 , e a visibilidade de uma franja de interferência de dois fótons superior a 99% demonstram inequivocamente que dispositivos integrados baseados em SiC podem ser viáveis ​​para processamento de informações quânticas em escala de chip. Além disso, estes resultados são comparáveis ​​aos obtidos em plataformas fotónicas integradas mais maduras, como o silício."

"Acreditamos que nosso estudo dá forte apoio à competitividade da plataforma 4H-SiC-on-insulator para aplicações quânticas. Por exemplo, a fonte de fótons emaranhada demonstrada pode ser prontamente implantada em uma rede de fibra óptica para comunicação quântica.

"Além disso, ao alinhar o comprimento de onda do fóton intermediário com a linha zero-fônon de vários centros de cores encontrados no SiC, podemos criar um emaranhado entre o fóton de sinal e o estado de spin. Este processo de alinhamento de comprimento de onda também pode ser integrado e implementado. por meio de engenharia de dispersão em escala de chip ou conversão de frequência", acrescentaram.

O futuro da óptica integrada baseada em SiC é certamente promissor, pois os pesquisadores afirmam que "todas essas possibilidades apontam para um futuro brilhante para a fotônica quântica baseada em SiC, permitindo a integração de uma infinidade de processos fotônicos e elétricos quânticos em escala de chip com cores centros para diversas aplicações."