O armazenamento de informações quânticas é fundamental para o futuro da computação quântica e da Internet quântica global. Os sistemas modernos de comunicação quântica lutam contra a perda de sinal em longas distâncias, o que limita a disseminação de informações quânticas. As memórias quânticas ajudam a resolver esse problema, tornando possíveis repetidores quânticos que permitem que as informações passem por uma rede através do emaranhamento, em vez de desaparecerem.
Um novo estudo publicado em Luz: Ciência e Aplicações relata grandes progressos nesta área. Pesquisadores da Universidade Humboldt de Berlim, do Instituto Leibniz de Tecnologia de Fótons e da Universidade de Stuttgart apresentaram um novo tipo de memória quântica construída a partir de estruturas nanoimpressas em 3D conhecidas como “células leves” cheias de vapor atômico. Ao combinar luz e átomos em um único chip, a equipe criou uma plataforma projetada para escalabilidade e integração perfeita em sistemas fotônicos quânticos.
O que torna as células pulmonares diferentes
As células de luz são guias de ondas ocas projetadas para direcionar a luz de maneira compacta e, ao mesmo tempo, fornecer acesso ao espaço interior. Este design oferece uma vantagem importante sobre as fibras ocas convencionais, que podem levar meses para serem preenchidas com vapor atômico. Pelo contrário, a estrutura aberta das células de luz permite que os átomos de césio se difundam no núcleo muito mais rapidamente, o que reduz o processo de enchimento para apenas alguns dias sem comprometer as características ópticas.
Os designs são produzidos usando litografia de polimerização de dois fótons com sistemas comerciais de impressão 3D. Esta abordagem permite que os pesquisadores imprimam diretamente guias de ondas ocas complexas em chips de silício com precisão extremamente alta. Para proteger os dispositivos de reações químicas com o césio, os guias de ondas são cobertos por uma camada protetora. Os testes não mostraram sinais de degradação mesmo após cinco anos de operação, destacando a estabilidade do sistema a longo prazo.
“Criamos uma estrutura orientadora que permite que gases e líquidos se difundam rapidamente dentro de seu núcleo, com a versatilidade e reprodutibilidade proporcionadas pelo processo de nanoimpressão 3D. Isso proporciona verdadeira escalabilidade desta plataforma não apenas para a fabricação de guias de onda no chip, mas também para a fabricação de múltiplos chips com o mesmo desempenho chip a chip”, explicou a equipe de pesquisa.
Convertendo luz em informação quântica armazenada
Dentro das células de luz, os pulsos de luz que chegam são efetivamente convertidos em excitações coletivas dos átomos circundantes. Após o tempo de armazenamento selecionado, o laser de controle reverte esse processo e libera a luz armazenada exatamente quando é necessária. Numa demonstração importante, os investigadores armazenaram com sucesso pulsos de luz muito fracos contendo apenas alguns fotões durante várias centenas de nanossegundos. Eles acreditam que esta abordagem poderia eventualmente ser estendida para armazenar fótons únicos por muitos milissegundos.
Outro marco importante foi a integração de diversas memórias de células leves em um único chip alojado em uma célula de vapor de césio. As medições mostraram que células de luz diferentes com o mesmo design fornecem desempenho de armazenamento quase idêntico em dois dispositivos separados no mesmo chip. Este nível de coerência é necessário para criar sistemas quânticos escaláveis.
A alta reprodutibilidade resulta da precisão do processo de nanoimpressão 3D. As diferenças dentro de um único chip não ultrapassaram 2 nanômetros, enquanto as diferenças entre os chips permaneceram abaixo de 15 nanômetros. Esse controle rígido é crucial para a multiplexação espacial, uma técnica que pode aumentar significativamente o número de memórias quânticas que funcionam juntas em um único dispositivo.
Implicações para redes quânticas e computação
A memória quântica da célula de luz resolve vários problemas antigos da tecnologia quântica. Em redes de repetidores quânticos, eles poderiam sincronizar simultaneamente vários fótons únicos, aumentando enormemente a eficiência da comunicação quântica em longas distâncias. Na computação quântica fotônica, as memórias fornecem os atrasos controlados necessários para operações diretas em sistemas de computação quântica baseados em medição.
A plataforma também se destaca pela praticidade. Ao contrário de muitas tecnologias concorrentes, ele opera logo acima da temperatura ambiente e não requer resfriamento criogênico ou instalações complexas de captura de átomos. Isso facilita a implantação do sistema e também oferece maior largura de banda por modo de memória. A capacidade de criar muitas memórias quânticas idênticas em um único chip abre um caminho claro para a integração fotônica quântica em grande escala.
Devido ao processo de fabricação flexível, a tecnologia pode ser potencialmente combinada com conexão direta de fibra e componentes fotônicos existentes. Essas vantagens posicionam as memórias quânticas de células leves como um forte candidato para a futura infraestrutura de comunicação quântica.
Um caminho escalável a seguir
O desenvolvimento da memória quântica da célula de luz marca um passo significativo na pesquisa fotônica quântica. Ao combinar a nanoimpressão 3D avançada com os princípios básicos da óptica quântica, os pesquisadores criaram um sistema compacto e escalonável que poderia acelerar o surgimento de redes quânticas práticas e de computadores quânticos mais poderosos.
