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Jun 07, 2023

Computadores quânticos poderão em breve se conectar por distâncias maiores

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Bartlomiej Wroblewski/iStock

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Você sabia que as transmissões quânticas não podem ser amplificadas sobre uma cidade ou oceano como os sinais de dados convencionais? Em vez disso, eles precisam ser repetidos periodicamente usando dispositivos especializados chamados repetidores quânticos.

Para que a tecnologia seja utilizada em futuras redes de comunicações, os investigadores desenvolveram um novo método de ligação de dispositivos quânticos a grandes distâncias.

Como os repetidores estão prestes a se tornar cruciais na conexão de computadores quânticos distantes e no aumento da segurança nas redes de comunicação no futuro, uma equipe de pesquisadores de Princeton detalhou uma nova abordagem para a construção de repetidores quânticos em seu estudo publicado na revista Nature em 30 de agosto.

A ideia envolve repetidores que transmitem luz pronta para telecomunicações graças a um íon inserido em um cristal.

O espectro visível, emitido por outros sistemas repetidores quânticos populares, degrada-se rapidamente através da fibra óptica e precisa ser transformado antes de ser enviado por grandes distâncias.

De acordo com Jeff Thompson, principal autor do artigo, um único íon de Terra rara implantado em um cristal hospedeiro serve de base para o novo dispositivo. Além disso, como esse íon produz luz em comprimento de onda infravermelho perfeito, ele não precisa converter sinais, o que pode resultar em redes mais simples e confiáveis.

"O esforço levou muitos anos para ser feito. O trabalho combinou avanços no design fotônico e na ciência dos materiais", disse Thompson em um comunicado à imprensa.

O design do dispositivo tem dois componentes, uma fatia nanoscópica de silício que foi gravada em um canal em forma de J e um cristal de tungstato de cálcio, que é dopado com um pequeno número de íons de érbio. O íon emite luz através do cristal quando pulsado por um laser exclusivo.

No entanto, o componente de silício, um minúsculo fio semicondutor preso à ponta do cristal, captura e direciona fótons individuais para o cabo de fibra óptica.

A equipe explica que, idealmente, a informação do íon seria incorporada neste fóton. Ou, para ser mais preciso, do spin do íon, um atributo quântico. O emaranhamento entre os spins de nós distantes seria criado em um repetidor quântico, reunindo e interferindo nos sinais desses nós, permitindo a transmissão ponta a ponta de estados quânticos, apesar das perdas de transmissão.

A equipe começou seu trabalho envolvendo íons de érbio vários anos antes, mas os cristais usados ​​em sua versão anterior produziram um ruído significativo. "Esse ruído fez com que a frequência dos fótons emitidos saltasse aleatoriamente em um processo conhecido como difusão espectral."

De centenas de milhares de materiais potenciais, eles reduziram a lista para algumas centenas, depois para uma dúzia e depois para três. Os testes para cada um dos três finalistas levaram seis meses. A equipe concentrou-se no cristal de tungstato de cálcio para obter resultados ideais.

A equipe usou um interferômetro, que funde duas ou mais fontes de luz para criar um padrão de interferência, para provar que os íons de érbio no novo material emitem fótons indistinguíveis e isso “coloca o sinal bem acima do limiar de alta fidelidade”.

Embora este estudo ultrapasse um limite significativo, a equipe está agora trabalhando para estender o período em que os estados quânticos podem ser armazenados no spin do íon érbio. O grupo agora está se esforçando para produzir tungstato de cálcio que seja purificado de forma mais completa e tenha menos contaminantes que interfiram nos estados de spin quântico.

O estudo completo foi publicado na Nature no dia 30 de agosto e pode ser encontrado aqui.

Abstrato

Os defeitos atômicos no estado sólido são um componente chave das redes repetidoras quânticas para comunicação quântica de longa distância . Recentemente, tem havido um interesse significativo em íons de terras raras, em particular Er3+, pela sua transição óptica de banda de telecomunicações que permite a transmissão de longa distância em fibras ópticas. No entanto, o desenvolvimento de nós repetidores baseados em íons de terras raras tem sido dificultado pela difusão espectral óptica, impedindo a geração indistinguível de um único fóton. Aqui, implantamos Er3 + em CaWO4, um material que combina uma simetria de sítio não polar, baixa decoerência de spins nucleares e é livre de íons de terras raras de fundo, para obter uma difusão espectral óptica significativamente reduzida. Para íons implantados rasos acoplados a cavidades nanofotônicas com grande fator de Purcell, observamos larguras de linha óptica de varredura única de 150 kHz e difusão espectral de longo prazo de 63 kHz, ambas próximas da largura de linha radiativa aprimorada por Purcell de 21 kHz. Isto permite a observação da interferência Hong-Ou-Mandel entre fótons emitidos sucessivamente com uma visibilidade de V = 80(4)%, medida após uma linha de atraso de 36 km. Observamos também tempos de relaxamento de spin T1,s = 3,7 s e T2,s > 200 μs, sendo este último limitado por impurezas paramagnéticas no cristal em vez de spins nucleares. Isto representa um passo notável em direção à construção de redes repetidoras quânticas de banda de telecomunicações com íons Er3+ únicos.