Pesquisadores da Universidade de Iowa identificaram uma nova maneira de “limpar” os fótons, um desenvolvimento que poderia melhorar tanto o desempenho quanto a segurança das tecnologias quânticas baseadas em luz. Ao melhorar a forma como as partículas de luz individuais são produzidas, esta abordagem visa superar limitações de longa data nos sistemas ópticos quânticos.
A equipe se concentrou em dois obstáculos principais que dificultam a criação do fluxo confiável de fótons únicos necessário para computadores quânticos fotônicos e redes de comunicação seguras.
Uma tarefa é conhecida como espalhamento de laser. Quando um laser ilumina um átomo para causar a liberação de um fóton, esse processo também pode produzir fótons indesejados adicionais. Estas partículas extras atuam como obstáculos no circuito óptico, reduzindo a eficiência da mesma forma que uma corrente elétrica parasita interrompe um circuito convencional.
O segundo problema surge da forma como os átomos às vezes reagem à luz laser. Em casos raros, um átomo emite mais de um fóton por vez. Quando isso acontece, a ordem precisa necessária para as operações quânticas é perturbada, à medida que fótons adicionais, um por um, interferem no fluxo planejado.
Usando ruído de laser para cancelar luz indesejada
Num novo estudo, Matthew Nelson, estudante de pós-graduação do Departamento de Física e Astronomia, encontrou uma ligação inesperada entre os dois problemas. Ele descobriu que quando um átomo emite alguns fótons, o espectro de comprimento de onda e a forma de onda resultantes correspondem exatamente ao espectro da própria luz laser.
Segundo os pesquisadores, essa semelhança significa que os dois sinais podem ser cuidadosamente ajustados para se anularem. Em essência, a dispersão do laser, que geralmente causa problemas, pode ser usada para suprimir a emissão indesejada de fótons.
“Mostramos que a dispersão dispersa do laser, que geralmente é considerada um incômodo, pode ser usada para cancelar a emissão multifóton indesejada”, diz Ravitei Upu, professor associado do Departamento de Física e Astronomia e autor correspondente do estudo. “Este avanço teórico pode transformar um problema de longa data em uma nova ferramenta poderosa para o avanço da tecnologia quântica”.
Por que os fótons únicos são importantes para a computação quântica
A computação fotônica depende da luz e não da eletricidade para realizar cálculos, oferecendo potencial para sistemas mais rápidos e eficientes. Os computadores convencionais funcionam usando bits – fluxos de pulsos elétricos ou ópticos que representam uns ou zeros. Em vez disso, os computadores quânticos usam qubits, que geralmente são partículas subatômicas, como fótons.
Muitas empresas de tecnologia emergentes acreditam que as plataformas fotônicas desempenharão um papel fundamental no futuro da computação quântica. Um fluxo estável e bem controlado de fótons únicos é fundamental para tornar esta visão prática.
O fluxo ordenado de fótons é mais fácil de controlar e dimensionar e melhora a segurança. Os pesquisadores comparam isso a fazer com que os alunos se revezem no refeitório, um de cada vez, em vez de deixá-los se movimentar no meio da multidão. Da mesma forma, uma linha de fótons simples reduz o risco de interceptação ou escuta de dados.
Controle preciso para fluxos de fótons mais limpos
Uppu explica que o controle cuidadoso do feixe de laser é fundamental para o novo método. “Se pudermos controlar com precisão como o feixe de laser brilha sobre o átomo – o ângulo em que ele vem, a forma do feixe e assim por diante – você pode realmente cancelar todos os fótons extras que o átomo gosta de emitir”, diz ele. “Ficaríamos com um riacho que é realmente muito limpo.”
O trabalho mostra teoricamente que duas barreiras principais para um circuito fotônico mais rápido podem ser resolvidas simultaneamente. Se este método for confirmado experimentalmente, poderá ajudar a acelerar o desenvolvimento de computadores quânticos avançados e de sistemas de comunicação mais seguros. Os pesquisadores planejam testar a ideia em experimentos futuros.
Detalhes da pesquisa e financiamento
O estudo, “Limpando uma fonte de fóton único com ruído”, foi publicado na revista Óptica quântica.
O financiamento para a pesquisa veio do Gabinete do Subsecretário de Defesa para Pesquisa e Tecnologia do Departamento de Defesa dos EUA. Apoio adicional foi fornecido por meio de uma doação inicial do Escritório do Vice-Presidente de Pesquisa da Universidade de Iowa por meio do programa P3 que ajudou a lançar o projeto.
