Avanço das redes quânticas:estudo alcança o maior aumento de emissão de fótons para um único centro T até o momento
Acoplamento óptico eficiente para centros T únicos em uma cavidade fotônica de silício. Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46643-8 Os engenheiros da Rice University demonstraram uma maneira de controlar as propriedades ópticas das imperfeições atômicas em materiais de silício conhecidos como centros T, abrindo caminho para aproveitar esses defeitos pontuais para a construção de nós quânticos para redes quânticas em grande escala.
“Os centros T são um tipo de defeito atômico na rede regular do silício”, disse Songtao Chen, professor assistente de engenharia elétrica e de computação.
"Os centros T têm gerado muito interesse recentemente porque mostram potencial como blocos de construção de qubit para redes quânticas. Eles emitem fótons únicos em um comprimento de onda vantajoso para aplicações de telecomunicações, mas sofrem com uma baixa taxa de emissão de fótons."
A emissão espontânea - o fenômeno por trás do brilho familiar de um vaga-lume ou de outros efeitos de brilho no escuro - descreve o processo pelo qual um sistema de mecânica quântica, como uma molécula, átomo ou partícula subatômica, faz a transição para um estado de energia mais baixa, liberando parte de sua energia na forma de um fóton. Aumentar a taxa de emissão espontânea em centros T é um dos obstáculos que os cientistas precisam superar para tornar viáveis os qubits baseados em centros T.
Ao incorporar um centro T em um circuito integrado fotônico, Songtao e sua equipe aumentaram a eficiência de coleta para a emissão de fótons únicos do centro T em duas ordens de magnitude em comparação com experimentos típicos do tipo confocal.
De acordo com o estudo publicado na Nature Communications , a equipe demonstrou que o acoplamento com uma cavidade de cristal fotônico aumenta a taxa de emissão de fótons do centro T por um fator de sete, explorando um fenômeno conhecido como efeito Purcell.
"O objetivo do nosso experimento era demonstrar a capacidade de modificar as propriedades ópticas de centros T únicos no silício", disse Yu-En Wong, estudante de pós-graduação de Rice e coautor do estudo. "Acontece que a estrutura da cavidade fotônica impacta a taxa de emissão de fótons do centro T. Ao medir a taxa com e sem a interação da cavidade, fomos capazes de avaliar a força do acoplamento entre a cavidade e o centro T."
O acoplamento entre a estrutura da cavidade fotônica e o centro T fica mais forte à medida que eles trocam energia de fótons cada vez mais rapidamente, encurtando o tempo em que a energia é armazenada no centro T.
“Isso é o que é comumente conhecido como efeito Purcell”, disse Adam Johnston, estudante de pós-graduação de Rice e coautor do estudo.
"O que mostramos aqui é que podemos implantar o efeito Purcell para alcançar a mais pura emissão de fótons únicos entre todos os centros de cores em silício até o momento e o maior aumento de emissão de fótons para um único centro T."
A descoberta é um passo significativo em direção ao avanço das redes quânticas, que dependem das propriedades quânticas dos fótons para codificar informações, permitindo uma computação significativamente mais poderosa e também uma segurança aprimorada.
“A segurança das comunicações quânticas é garantida pelos fundamentos da mecânica quântica, permitindo a detecção de bisbilhoteiros com alta probabilidade e melhorando assim a proteção de dados sensíveis”, disse o coautor Ulises Felix-Rendon, que junto com Johnston e Wong está buscando um doutorado em física aplicada como parte do laboratório Chen.
“Empresas como Google e IBM demonstraram vantagens significativas dos computadores quânticos sobre os seus homólogos clássicos”, disse Felix-Rendon.
“No entanto, muitos dos computadores quânticos mais avançados do mundo estão restritos ao envio de informações por fios resfriados a temperaturas criogênicas, o que limita a escalabilidade desses sistemas. Esperamos que nosso trabalho seja fundamental para o desenvolvimento de redes quânticas para conectar computadores quânticos remotos e ultrapassar atuais obstáculos na tecnologia quântica."
