Partículas de luz idênticas (fótons) são importantes para muitas tecnologias baseadas na física quântica. Uma equipe de pesquisadores de Basel e Bochum agora produziu fótons idênticos com diferentes pontos quânticos – um passo importante para aplicações como comunicações à prova de toque e internet quântica.
Muitas tecnologias que fazem uso de efeitos quânticos são baseadas em fótons exatamente iguais. Produzir tais fótons, no entanto, é extremamente difícil. Não só eles precisam ter exatamente o mesmo comprimento de onda (cor), mas sua forma e polarização também precisam corresponder.

Uma equipe de pesquisadores liderada por Richard Warburton da Universidade de Basel, em colaboração com colegas da Universidade de Bochum, conseguiu criar fótons idênticos provenientes de fontes diferentes e amplamente separadas.

Fótons únicos de pontos quânticos

Em seus experimentos, os físicos usaram os chamados pontos quânticos, estruturas em semicondutores com apenas alguns nanômetros de tamanho. Nos pontos quânticos, os elétrons ficam presos de tal forma que só podem assumir níveis de energia muito específicos. A luz é emitida ao fazer uma transição de um nível para outro. Com a ajuda de um pulso de laser que desencadeia essa transição, fótons individuais podem ser criados com o apertar de um botão.

"Nos últimos anos, outros pesquisadores já criaram fótons idênticos com diferentes pontos quânticos", explica Lian Zhai, pesquisador de pós-doutorado e primeiro autor do estudo que foi publicado recentemente na Nature Nanotechnology . “Para fazer isso, no entanto, de um grande número de fótons, eles tiveram que escolher aqueles que eram mais semelhantes usando filtros ópticos”. Dessa forma, apenas muito poucos fótons utilizáveis ​​permaneceram.

Warburton e seus colaboradores escolheram uma abordagem diferente e mais ambiciosa. Primeiro, os especialistas em Bochum produziram arsenieto de gálio extremamente puro, a partir do qual foram feitos os pontos quânticos. As variações naturais entre diferentes pontos quânticos poderiam, assim, ser reduzidas ao mínimo. Os físicos em Basel então usaram eletrodos para expor dois pontos quânticos a campos elétricos precisamente ajustados. Esses campos modificaram os níveis de energia dos pontos quânticos e foram ajustados de tal forma que os fótons emitidos pelos pontos quânticos tinham exatamente o mesmo comprimento de onda.

93% idênticos

Para demonstrar que os fótons eram realmente indistinguíveis, os pesquisadores os enviaram para um espelho meio prateado. Eles observaram que, quase sempre, as partículas de luz passavam pelo espelho como um par ou então eram refletidas como um par. From that observation they could conclude that the photons were 93% identical. In other words, the photons formed twins even though they were "born" completely independently of one another.

Moreover, the researchers were able to realize an important building block of quantum computers, a so-called controlled NOT gate (or CNOT gate). Such gates can be used to implement quantum algorithms that can solve certain problems much faster than classical computers.

"Right now our yield of identical photons is still around one percent," Ph.D. student Gian Nguyen concedes. Together with his colleague Clemens Spindler he was involved in running the experiment. "We already have a rather good idea, however, how to increase that yield in the future." That would make the twin-photon method ready for potential applications in different quantum technologies. + Explorar mais

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