Cientistas da Universidade Heriot-Watt, em Edimburgo, Escócia, encontraram uma nova maneira poderosa de programar circuitos ópticos que são essenciais para o fornecimento de tecnologias futuras, como redes de comunicações invioláveis ​​e computadores quânticos ultrarrápidos.



“A luz pode transportar muita informação, e os circuitos ópticos que computam com luz – em vez de eletricidade – são vistos como o próximo grande salto na tecnologia de computação”, explica o professor Mehul Malik, físico experimental e professor de física na Escola Heriot-Watt. de Engenharia e Ciências Físicas.

"Mas à medida que os circuitos ópticos se tornam maiores e mais complexos, eles se tornam mais difíceis de controlar e fabricar - e isso pode afetar seu desempenho. Nossa pesquisa mostra uma forma alternativa - e mais versátil - de projetar circuitos ópticos, usando um processo que ocorre naturalmente em natureza."

O professor Malik e sua equipe conduziram suas pesquisas usando fibras ópticas comerciais que são amplamente utilizadas em todo o mundo para transportar a Internet para nossas casas e empresas. Essas fibras são mais finas que a largura de um fio de cabelo humano e usam luz para transportar dados.

Ao aproveitar o comportamento natural de dispersão da luz dentro de uma fibra óptica, eles descobriram que poderiam programar circuitos ópticos dentro da fibra de maneira altamente precisa.

A pesquisa foi publicada hoje na revista Nature Physics .

“Quando a luz entra numa fibra óptica, ela é espalhada e misturada de maneiras complexas”, explica o professor Malik. "Ao aprender este processo complexo e moldar com precisão a luz que entra na fibra óptica, descobrimos uma maneira de projetar cuidadosamente um circuito para a luz dentro desta desordem."

Os circuitos ópticos são essenciais para o desenvolvimento de futuras tecnologias quânticas – que são projetadas em nível microscópico trabalhando com átomos ou fótons individuais – partículas de luz. Essas tecnologias incluem computadores quânticos poderosos com imenso poder de processamento e redes de comunicações quânticas que não podem ser hackeadas.

“Circuitos ópticos são necessários no final das redes de comunicação quântica, por exemplo, para que a informação possa ser medida depois de percorrer longas distâncias”, explica o professor Malik. “Eles também são uma parte fundamental de um computador quântico, onde são usados ​​para realizar cálculos complexos com partículas de luz”.

Espera-se que os computadores quânticos desbloqueiem grandes avanços em áreas que incluem o desenvolvimento de medicamentos, a previsão do clima e a exploração espacial. O aprendizado de máquina – inteligência artificial – é outra área em que circuitos ópticos são usados ​​para processar grandes volumes de dados muito rapidamente.

O professor Malik disse que o poder da luz está nas suas múltiplas dimensões.

“Podemos codificar muita informação numa única partícula de luz”, explicou. "Na sua estrutura espacial, na sua estrutura temporal, na sua cor. E se você puder computar com todas essas propriedades de uma vez, isso desbloqueará uma enorme quantidade de poder de processamento."

Os pesquisadores também mostraram como seus circuitos ópticos programáveis ​​podem ser usados ​​para manipular o emaranhamento quântico, um fenômeno quando duas ou mais partículas quânticas – como fótons de luz – permanecem conectadas mesmo quando estão separadas por grandes distâncias. O emaranhamento desempenha um papel importante em muitas tecnologias quânticas, como a correção de erros dentro de um computador quântico e a habilitação dos tipos mais seguros de criptografia quântica.

O professor Malik e sua equipe de pesquisa no Beyond Binary Quantum Information Lab da Universidade Heriot-Watt conduziram a pesquisa com acadêmicos parceiros de instituições como a Universidade de Lund na Suécia, a Universidade Sapienza de Roma na Itália e a Universidade de Twente na Holanda.

Mais informações: Projeto inverso de circuitos ópticos quânticos de alta dimensão em um meio complexo, Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02319-6. www.nature.com/articles/s41567-023-02319-6
Informações do diário: Física da Natureza

Fornecido pela Universidade Heriot-Watt