À medida que os computadores quânticos se tornam mais poderosos, muitas técnicas de criptografia atuais podem eventualmente tornar-se vulneráveis. Uma solução promissora é a criptografia quântica, que se baseia nas leis da física, e não na complexidade matemática, para proteger os dados. No entanto, tornar a comunicação quântica prática requer dispositivos pequenos e confiáveis que possam ler com precisão os sinais quânticos sutis transmitidos pela luz.
Pesquisadores da Universidade de Pádua, do Instituto Politécnico de Milão e do Instituto CNR de Fotônica e Nanotecnologia demonstraram uma nova abordagem usando um material inesperado: o vidro borossilicato. Informado v Fotônica avançadaseu estudo descreve um receptor quântico coerente de alto desempenho embutido diretamente em vidro usando escrita a laser de femtosegundo. Este método fornece baixa perda óptica, desempenho estável e compatibilidade com sistemas de fibra óptica existentes, todos importantes para que a tecnologia quântica vá além dos experimentos de laboratório.
Por que o vidro supera o silício em dispositivos quânticos
O processamento de informações quânticas de variável contínua (CV) usado na distribuição quântica de chaves (QKD) e na geração quântica de números aleatórios (QRNG) depende da medição da amplitude e da fase das ondas de luz. Para fazer isso, um receptor coerente combina um sinal quântico fraco com um feixe de referência mais forte e analisa como eles interferem.
A maioria dos receptores integrados modernos são feitos de silício. Embora o silício seja amplamente utilizado e suporte alta integração, ele é sensível à polarização e tende a ter perdas ópticas mais altas, o que pode limitar o desempenho e a confiabilidade dos sistemas quânticos.
O vidro tem diversas vantagens. É naturalmente insensível à polarização, altamente estável e permite que guias de ondas sejam gravados em três dimensões com perda mínima de sinal. Usando microusinagem a laser de femtosegundo, os pesquisadores podem criar caminhos condutores de luz diretamente dentro do material, formando circuitos fotônicos compactos sem as complexidades da fabricação de semicondutores.
Dentro de um receptor quântico escrito a laser
A equipe criou um receptor heteródino totalmente sintonizável, um componente chave para CV-QKD e CV-QRNG, escrevendo o circuito óptico diretamente dentro do vidro de borosilicato. O chip inclui:
- Divisores de feixe fixos e ajustáveis
- Deslocadores de fase termo-ópticos para controle elétrico preciso
- Interseções de guias de onda tridimensionais
- Acopladores direcionais independentes de polarização
Esses recursos permitem a interação controlada do sinal quântico e do feixe portador, permitindo que duas medições de quadratura acopladas sejam feitas simultaneamente. O dispositivo também mostra:
- Perda de inserção extremamente baixa (≈1 dB)
- Operação independente de polarização
- A taxa de rejeição do modo comum está acima de 73dB, indicando forte supressão de ruído clássico
- Relação sinal-ruído estável por pelo menos 8 horas
No geral, esses resultados correspondem ou excedem o desempenho de muitos receptores fotônicos baseados em silício.
Um chip, duas tecnologias quânticas
Como o dispositivo combina baixa perda, capacidade de ajuste e estabilidade, ele pode lidar com muitas tarefas de comunicação quântica sem exigir outro hardware. Quando usado como detector heteródino, ele incorporou um sistema QRNG independente do dispositivo de origem, o que significa que permanece seguro mesmo que o sinal óptico de entrada não seja confiável. O chip alcançou uma taxa segura de geração de bits aleatórios de 42,7 Gbps, estabelecendo um recorde para esse tipo de sistema.
O mesmo chip também foi usado para o protocolo CV-QKD baseado em QPSK, onde as informações são codificadas em uma constelação de estados quânticos de quatro pontos. Em um canal de fibra simulado de 9,3 km, o sistema alcançou uma velocidade de chave secreta de 3,2 Mbps. Estes resultados indicam que uma interface fotônica baseada em vidro pode suportar CV-QKD estendido sem as desvantagens observadas em plataformas de silício.
Glass Photonics está caminhando para o uso no mundo real
Além do alto desempenho, a pesquisa destaca diversas vantagens práticas do uso de vidro em fotônica quântica integrada:
- Estabilidade ambiental: O vidro é inerte e resistente à temperatura e às mudanças mecânicas.
- Emenda de fibra de baixa perda: os guias de onda se ajustam exatamente aos tamanhos padrão de fibra de telecomunicações.
- Flexibilidade de projeto 3D: Os circuitos podem incluir interseções e layouts complexos sem perda adicional de sinal.
- Escalabilidade e economia: a escrita a laser de femtossegundos permite prototipagem rápida sem fabricação dispendiosa de semicondutores.
Essas qualidades suportam confiabilidade e durabilidade a longo prazo, que são importantes para implantação no mundo real e até mesmo para uso potencial em sistemas de comunicação quântica baseados no espaço. Os pesquisadores observam que a fotônica baseada em vidro pode ajudar a preencher a lacuna entre as configurações experimentais e as redes quânticas práticas.
Rumo a redes de comunicação quântica escaláveis
Aproveitando essas vantagens, a equipe demonstrou duas aplicações principais em um único chip: um QRNG independente do dispositivo de origem com uma taxa de geração segura recorde de 42,7 Gbps e um sistema CV-QKD baseado em QPSK que atinge uma taxa de chave segura de 3,2 Mbps em um link de fibra simulado de 9,3 km.
Além desses resultados, o trabalho aponta para a fotônica integrada à base de vidro como uma plataforma robusta e versátil para futuras tecnologias quânticas. O Glass é estável, econômico e resiliente a ambientes agressivos, tornando-o adequado para implantações escaláveis. Esta abordagem poderia ajudar a trazer a comunicação quântica de ambientes laboratoriais controlados para a infraestrutura do mundo real, marcando um passo importante na criação de redes quânticas globais.
