A capacidade de transmitir informações de forma coerente na faixa do espectro eletromagnético, do micro-ondas ao infravermelho, é de vital importância para o desenvolvimento de redes quânticas avançadas utilizadas na computação e nas comunicações.



Um estudo conduzido por pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), no Brasil, em colaboração com colegas da ETH Zurique, na Suíça, e da TU Delft, na Holanda, focou no uso de cavidades optomecânicas nanométricas para esse fim. Esses ressonadores em nanoescala promovem a interação entre vibrações mecânicas de alta frequência e luz infravermelha em comprimentos de onda usados ​​pela indústria de telecomunicações.

Um artigo sobre o estudo foi publicado na revista Nature Communications .

“Os ressonadores nanomecânicos atuam como pontes entre os circuitos supercondutores e as fibras ópticas. Os circuitos supercondutores estão atualmente entre as tecnologias mais promissoras para a computação quântica, enquanto as fibras ópticas são rotineiramente utilizadas como transmissores de informações de longa distância, com pouco ruído e sem perda de sinal”, disse Thiago. Alegre, professor do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW-UNICAMP) e último autor do artigo.

Segundo Alegre, uma das principais inovações do estudo foi a introdução da optomecânica dissipativa. Os dispositivos optomecânicos tradicionais dependem de interação puramente dispersiva, onde apenas os fótons confinados na cavidade são dispersos de forma eficiente. Na optomecânica dissipativa, os fótons podem ser espalhados diretamente do guia de ondas para o ressonador. "Como resultado, a interação optoacústica pode ser controlada com mais firmeza", disse ele.

Antes deste estudo, a interação optomecânica dissipativa havia sido demonstrada apenas em baixas frequências mecânicas, impossibilitando aplicações importantes como a transferência de estado quântico entre os domínios fotônico (óptico) e fonônico (mecânico). O estudo demonstrou o primeiro sistema optomecânico dissipativo operando em um regime onde a frequência mecânica excedeu a largura de linha óptica.

“Conseguimos aumentar a frequência mecânica em duas ordens de grandeza e alcançar um aumento de dez vezes na taxa de acoplamento optomecânico. Isso oferece perspectivas altamente promissoras para o desenvolvimento de dispositivos ainda mais eficazes”, disse Alegre.

Redes quânticas

Fabricados em colaboração com a TU Delft, os dispositivos foram projetados para utilizar tecnologias bem estabelecidas na indústria de semicondutores. Feixes de silício nanométrico foram suspensos e livres para vibrar, de modo que a luz infravermelha e as vibrações mecânicas fossem confinadas simultaneamente. Um guia de ondas colocado lateralmente e posicionado para permitir o acoplamento da fibra óptica à cavidade deu origem ao acoplamento dissipativo, ingrediente chave dos resultados apresentados pelos pesquisadores.

O estudo oferece novas possibilidades para a construção de redes quânticas. Além desta aplicação imediata, estabelece uma base para futuras pesquisas fundamentais. “Esperamos poder manipular os modos mecânicos individualmente e mitigar as não linearidades ópticas em dispositivos optomecânicos”, disse Alegre.

Mais informações: André G. Primo et al, Optomecânica dissipativa em ressonadores nanomecânicos de alta frequência, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41127-7
Informações do diário: Comunicações da Natureza

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