Lançando luz sobre a fotônica quântica: geração no chip de um único fóton

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À medida que o burburinho fica cada vez mais alto sobre o futuro do quantum, pesquisadores de todos os lugares estão trabalhando horas extras para descobrir a melhor forma de desvendar a promessa de partículas quânticas superposicionadas, emaranhadas, de tunelamento ou de outra forma prontas para o horário nobre, cuja capacidade de ocorrer em dois estados de uma só vez poderiam expandir enormemente a potência e a eficiência em muitas aplicações.

Em termos de desenvolvimento, no entanto, os dispositivos quânticos hoje estão “mais ou menos onde o computador estava na década de 1950”, ou seja, no começo. Isso é de acordo com Kamyar Parto, um Ph.D. do sexto ano. aluno do laboratório da UC Santa Barbara de Galan Moody, especialista em fotônica quântica e professor assistente de engenharia elétrica e de computação. Parto é co-autor principal de um artigo publicado na revista Nano Letrasdescrevendo um avanço importante: o desenvolvimento de uma espécie de “fábrica” ​​no chip para produzir um fluxo constante e rápido de fótons únicos, essencial para permitir tecnologias quânticas baseadas em fotônica.

Nos estágios iniciais do desenvolvimento do computador, Parto explicou: “Os pesquisadores tinham acabado de fazer o transistor e tinham ideias de como fazer um comutador digital, mas a plataforma era meio fraca. Grupos diferentes desenvolveram plataformas diferentes e, eventualmente, todos convergiram. em CMOS (semicondutor de óxido de metal complementar) Então, tivemos a grande explosão em torno de semicondutores.

“A tecnologia quântica está em um lugar semelhante – temos a ideia e uma noção do que poderíamos fazer com ela, e existem muitas plataformas concorrentes, mas ainda não há um vencedor claro”, continuou ele. “Você tem qubits supercondutores, qubits de spin em silício, qubits de spin eletrostáticos e computadores quânticos baseados em armadilhas de íons. A Microsoft está tentando fazer qubits topologicamente protegidos e, no Moody Lab, estamos trabalhando em fotônica quântica.”

Parto prevê que a plataforma vencedora será uma combinação de diferentes plataformas, já que cada uma é poderosa, mas também tem limitações. “Por exemplo, é muito fácil transferir informações usando fotônica quântica, porque a luz gosta de se mover”, disse ele. “Um spin qubit, no entanto, torna mais fácil armazenar informações e fazer algumas ‘coisas’ locais nele, mas você não pode mover esses dados. Então, por que não tentamos usar a fotônica para transferir os dados do plataforma que armazene melhor e depois transforme novamente em outro formato quando estiver lá?”

Os qubits, aqueles condutores de comportamento estranho das tecnologias quânticas, são, obviamente, diferentes dos bits clássicos, que podem existir apenas em um único estado de zero ou um. Qubits podem ser um e zero simultaneamente. No reino da fotônica, disse Parto, um único fóton pode ser feito tanto para existir (estado um) quanto para não existir (estado zero).

Isso ocorre porque um único fóton constitui o que é chamado de sistema de dois níveis, o que significa que pode existir em um estado zero, um estado ou qualquer combinação, como 50% um e 50% zero, ou talvez 80% um e 20% zero. Isso pode ser feito rotineiramente no grupo Moody. O desafio é gerar e coletar fótons individuais com altíssima eficiência, por exemplo, roteando-os em um chip usando guias de onda. Os guias de onda fazem exatamente o que seu nome sugere, guiando a luz para onde ela precisa ir, assim como os fios guiam a eletricidade.

Parto explicou: “Se colocarmos esses fótons únicos em muitos guias de onda diferentes – mil fótons únicos em cada guia de onda – e meio que coreografarmos como os fótons viajam ao longo dos guias de onda no chip, podemos fazer uma computação quântica”.

Embora seja relativamente simples usar guias de onda para direcionar fótons no chip, isolar um único fóton não é fácil, e configurar um sistema que produz bilhões deles de forma rápida e eficiente é muito mais difícil. O novo artigo descreve uma técnica que emprega um fenômeno peculiar para gerar fótons individuais com uma eficiência muito maior do que a obtida anteriormente.

“O trabalho é ampliar a geração desses fótons individuais para que eles se tornem úteis para aplicações reais”, disse Parto. “O avanço descrito neste artigo é que agora podemos gerar os fótons individuais de forma confiável à temperatura ambiente de uma forma que se presta ao (processo de produção em massa de) CMOS”.

Existem várias maneiras de gerar fótons individuais, mas Parto e seus colegas estão fazendo isso usando defeitos em certos materiais semicondutores bidimensionais (2D), que têm apenas um átomo de espessura, essencialmente removendo um pouco do material para criar um defeito.

“Se você incide luz (gerada por um laser) no tipo certo de defeito, o material responderá emitindo fótons únicos”, disse Parto, acrescentando: “O defeito no material age como o que é chamado de estado limitante de taxa, o que permite que ele se comporte como uma fábrica de fótons individuais, um de cada vez.” Um fóton pode ser produzido a cada três a cinco nanossegundos, mas os pesquisadores ainda não têm certeza da taxa, e Parto, que obteve seu Ph.D. sobre o tema da engenharia de tais defeitos, diz que a taxa atual poderia ser muito mais lenta.

Uma grande vantagem dos materiais 2D é que eles se prestam a ter defeitos projetados em locais específicos. Além disso, Parto disse: “Os materiais são tão finos que você pode pegá-los e colocá-los em qualquer outro material sem ser restringido pela geometria da rede de um material de cristal 3D. Isso torna o material 2D muito fácil de integrar, uma capacidade que nós mostrar neste jornal.”

Para fazer um dispositivo útil, o defeito no material 2D deve ser colocado nas guias de onda com extrema precisão. “Há um ponto no material que produz luz a partir de um defeito”, observou Parto, “e precisamos colocar esse único fóton em um guia de ondas”.

Os pesquisadores tentam fazer isso de duas maneiras, por exemplo, colocando o material no guia de ondas e procurando um único defeito existente, mas mesmo que o defeito esteja precisamente alinhado e na posição exata, a eficiência da extração será apenas 20% a 30%. Isso ocorre porque o único defeito pode emitir apenas em uma taxa específica e parte da luz é emitida em ângulos oblíquos, em vez de diretamente ao longo do caminho para o guia de ondas. O limite superior teórico desse projeto é de apenas 40%, mas fazer um dispositivo útil para aplicações de informação quântica requer 99,99% de eficiência de extração.

“A luz de um defeito brilha inerentemente em todos os lugares, mas preferimos que ela brilhe nesses guias de onda”, explicou Parto. “Temos duas opções. Se você colocar guias de onda em cima do defeito, talvez de dez a quinze por cento da luz vá para os guias de onda. Isso não é suficiente. Mas há um fenômeno físico, chamado efeito Purcell, que podemos utilizar para aumentar essa eficiência e direcionar mais luz para o guia de ondas. Você faz isso colocando o defeito dentro de uma cavidade óptica – em nosso caso, ele tem a forma de um ressonador de microanel, que é uma das únicas cavidades que permite você acoplar a luz para dentro e para fora de um guia de ondas.

“Se a cavidade for pequena o suficiente”, acrescentou, “ela espremerá as flutuações de vácuo do campo eletromagnético, e essas flutuações são o que causa a emissão espontânea de fótons do defeito em um modo de luz. Comprimindo essa flutuação quântica em uma cavidade de volume finito, a flutuação sobre o defeito é aumentada, fazendo com que ele emita luz preferencialmente para dentro do anel, onde acelera e torna-se mais brilhante, aumentando assim a eficiência da extração.”

Em experimentos usando o ressonador de microanel feitos para este artigo, a equipe alcançou eficiência de extração de 46%, o que é um aumento de ordem de grandeza em relação a relatórios anteriores.

“Estamos realmente encorajados por esses resultados, porque os emissores de fóton único em materiais 2D abordam alguns dos desafios pendentes enfrentados por outros materiais em termos de escalabilidade e capacidade de fabricação”, disse Moody. “No curto prazo, exploraremos o uso deles para algumas aplicações diferentes em comunicações quânticas, mas, a longo prazo, nosso objetivo é continuar a desenvolver esta plataforma para computação quântica e redes”.

Para fazer isso, o grupo precisa melhorar sua eficiência para mais de 99%, e conseguir isso exigirá anéis ressonadores de nitreto de maior qualidade. “Para aumentar a eficiência, você precisa suavizar o anel ao esculpi-lo no filme de nitreto de silício”, explicou Parto. “No entanto, se o material em si não for totalmente cristalino, mesmo que você tente alisá-lo no nível atômico, as superfícies ainda podem parecer ásperas e esponjosas, fazendo com que a luz se espalhe.”

Enquanto alguns grupos obtêm o nitreto da mais alta qualidade comprando-o de empresas que o cultivam perfeitamente, Parto explicou: “Temos que cultivá-lo nós mesmos, porque temos que colocar o defeito sob o material e também estamos usando um material especial tipo de nitreto de silício que minimiza a luz de fundo para aplicações de fóton único, e as empresas não fazem isso.”

Parto pode cultivar seus nitretos em um forno de deposição de vapor químico aprimorado por plasma na sala limpa da UCSB, mas como é uma instalação compartilhada muito usada, ele não pode personalizar algumas configurações que permitiriam que ele cultivasse material de qualidade suficiente. O plano, diz ele, é usar esses resultados para concorrer a novas bolsas que possibilitariam “obter nossas próprias ferramentas e contratar alunos para fazer esse trabalho”.

Com informações de Science Daily.

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