O mundo está um passo mais perto de uma comunicação quântica segura em escala global
A fonte de fótons emaranhados, um ponto quântico à base de índio embutido em um nanofio semicondutor (esquerda), e uma visualização de como os fótons emaranhados são extraídos eficientemente do nanofio. Crédito:Universidade de Waterloo Pesquisadores do Instituto de Computação Quântica (IQC) da Universidade de Waterloo reuniram dois conceitos de pesquisa ganhadores do prêmio Nobel para avançar no campo da comunicação quântica.
Os cientistas agora podem produzir com eficiência pares de fótons emaranhados quase perfeitos a partir de fontes de pontos quânticos. A pesquisa, "Estado fotônico oscilante de Bell de um ponto quântico semicondutor para distribuição quântica de chaves", foi publicada na Communications Physics.
Os fótons emaranhados são partículas de luz que permanecem conectadas, mesmo a grandes distâncias, e o Prêmio Nobel de Física de 2022 reconheceu experimentos neste tópico. Combinando o emaranhamento com pontos quânticos, tecnologia reconhecida com o Prémio Nobel da Química em 2023, a equipa de investigação do IQC teve como objetivo otimizar o processo de criação de fotões emaranhados, que têm uma grande variedade de aplicações, incluindo comunicações seguras.
“A combinação de um alto grau de emaranhamento e alta eficiência é necessária para aplicações interessantes, como distribuição de chaves quânticas ou repetidores quânticos, que pretendem estender a distância da comunicação quântica segura para uma escala global ou conectar computadores quânticos remotos”, disse o Dr. . Michael Reimer, professor do IQC e do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação de Waterloo.
"Experiências anteriores mediram apenas o emaranhamento quase perfeito ou a alta eficiência, mas somos os primeiros a atingir ambos os requisitos com um ponto quântico."
Ao incorporar pontos quânticos semicondutores em um nanofio, os pesquisadores criaram uma fonte que cria fótons emaranhados quase perfeitos, 65 vezes mais eficientemente do que trabalhos anteriores.
Esta nova fonte, desenvolvida em colaboração com o Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá em Ottawa, pode ser excitada com lasers para gerar pares emaranhados sob comando. Os investigadores usaram então detectores de fotões únicos de alta resolução fornecidos pela Single Quantum na Holanda para aumentar o grau de emaranhamento.
"Historicamente, os sistemas de pontos quânticos foram afetados por um problema chamado divisão de estrutura fina, que faz com que um estado emaranhado oscile ao longo do tempo. Isso significava que as medições feitas com um sistema de detecção lento impediriam que o emaranhamento fosse medido", disse Matteo Pennacchietti, um Ph.D. estudante do IQC e do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação de Waterloo.
"Superamos isso combinando nossos pontos quânticos com um sistema de detecção muito rápido e preciso. Podemos basicamente obter um registro de data e hora de como é o estado emaranhado em cada ponto durante as oscilações, e é aí que temos o emaranhamento perfeito."
Para apresentar futuras aplicações de comunicação, Reimer e Pennacchietti trabalharam com o Dr. Norbert Lütkenhaus e o Dr. Thomas Jennewein, ambos membros do corpo docente do IQC e professores do Departamento de Física e Astronomia de Waterloo, e suas equipes.
Usando sua nova fonte de emaranhamento de pontos quânticos, os pesquisadores simularam um método de comunicação seguro conhecido como distribuição de chave quântica, provando que a fonte de pontos quânticos é uma promessa significativa no futuro das comunicações quânticas seguras.
