As tecnologias quânticas estão atualmente amadurecendo a um ritmo impressionante. Estas tecnologias exploram princípios da mecânica quântica em sistemas adequadamente concebidos, com perspectivas brilhantes, como o aumento da eficiência computacional ou da segurança das comunicações, muito além do que é possível com dispositivos baseados nas tecnologias “clássicas” actuais.



No entanto, tal como acontece com os dispositivos clássicos, para concretizar todo o seu potencial, os dispositivos quânticos devem estar ligados em rede. Em princípio, isto pode ser feito utilizando as redes de fibra óptica utilizadas nas telecomunicações clássicas. Mas a implementação prática exige que a informação codificada em sistemas quânticos possa ser armazenada de forma fiável nas frequências utilizadas nas redes de telecomunicações – uma capacidade que ainda não foi totalmente demonstrada.

Escrevendo em Nature Communications , o grupo do professor Xiao-Song Ma da Universidade de Nanjing relata armazenamento quântico recorde em comprimentos de onda de telecomunicações em uma plataforma que pode ser implantada em redes estendidas, abrindo caminho para redes quânticas práticas em grande escala.

A estrutura física da Internet é tecida a partir de fibras ópticas. As fibras de vidro que compõem estas vastas redes são notoriamente puras. Um exemplo comum é que você pode ver claramente através de uma janela de um quilômetro de espessura feita desse tipo de vidro. No entanto, algumas perdas são inevitáveis ​​e os sinais ópticos que viajam através das redes de telecomunicações precisam de ser “actualizados” em intervalos regulares quando as distâncias excedem algumas centenas de quilómetros.

Para sinais clássicos, existem técnicas bem estabelecidas e usadas rotineiramente baseadas na amplificação repetida do sinal. Para estados quânticos de luz, no entanto, estas abordagens usadas rotineiramente não são, infelizmente, adequadas.

Por que a 'luz quântica' é diferente? Um ingrediente chave que torna as tecnologias quânticas tão poderosas é o emaranhamento quântico, um estado em que dois ou mais quanta de luz (ou fotões) partilham entre si correlações mais fortes do que é possível para a luz clássica. Na regeneração de sinal óptico convencional, o sinal óptico é convertido num sinal eléctrico, que é amplificado antes de ser convertido novamente em impulsos de luz.

No entanto, os fótons emaranhados perderiam suas importantes correlações quânticas nesse processo. O mesmo problema ocorre com outros métodos convencionais.

Uma solução é usar os chamados repetidores quânticos. Resumindo, os repetidores quânticos armazenam o frágil estado emaranhado e o transformam em outro estado quântico que compartilha o emaranhamento com o próximo nó na linha. Em outras palavras, em vez de amplificar o sinal, os nós são “costurados”, explorando suas propriedades quânticas únicas. No centro dessas redes de repetidores quânticos estão as memórias quânticas nas quais os estados quânticos da luz podem ser armazenados.

Realizar essas memórias com um tempo de armazenamento suficientemente longo é um grande desafio, especialmente para fótons em comprimentos de onda de telecomunicações (ou seja, cerca de 1,5 µm).

Daí a empolgação quando Ming-Hao Jiang, Wenyi Xue e colegas do grupo de Xiao-Song Ma agora relatam o armazenamento e a recuperação do estado emaranhado de dois fótons de telecomunicações com um tempo de armazenamento de quase dois microssegundos. Isto é quase 400 vezes mais longo do que o que foi demonstrado anteriormente neste campo e, portanto, é um passo decisivo em direção a dispositivos práticos.

As memórias desenvolvidas por Jiang, Xue et al. são baseados em ortossilicato de ítrio (Y₂ SiO₅ ) cristais dopados com íons do elemento de terras raras érbio. Esses íons possuem propriedades ópticas quase perfeitas para uso em redes de fibra existentes, correspondendo ao comprimento de onda de cerca de 1,5 μm.

A adequação dos íons de érbio para armazenamento quântico é conhecida há alguns anos, e o fato de estarem incorporados em um cristal os torna particularmente atraentes para aplicações em larga escala. No entanto, as implementações práticas de memórias quânticas baseadas em íons de érbio provaram ser relativamente ineficientes até agora, dificultando o progresso em direção aos repetidores quânticos.

O grupo de Ma já fez avanços significativos no aperfeiçoamento das técnicas e mostrou que mesmo depois de armazenar o fóton por 1.936 nanossegundos, o emaranhado do par de fótons é preservado. Isto significa que o estado quântico pode ser manipulado durante este tempo, como é exigido num repetidor quântico. Além disso, os pesquisadores combinaram sua memória quântica com uma nova fonte de fótons emaranhados em um chip integrado.

Esta capacidade demonstrada de gerar fótons emaranhados de alta qualidade em frequências de telecomunicações e armazenar o estado emaranhado, tudo em uma plataforma de estado sólido adequada para produção em massa de baixo custo, é emocionante, pois estabelece um bloco de construção promissor que pode ser combinado com os existentes. redes de fibra em grande escala – possibilitando assim uma futura Internet quântica.

Mais informações: Ming-Hao Jiang et al, Armazenamento quântico de fótons emaranhados em comprimentos de onda de telecomunicações em um cristal, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42741-1
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Escola de Física da Universidade de Nanjing