Resumo interno:
- Pesquisadores da Nanyang Technological University Singapore desenvolveram um método de uso de flocos ultrafinos de dicloreto de óxido de nióbio (NbOCl₂), com apenas 1,2 micrômetros de espessura, para produzir pares de fótons emaranhados para computação quântica, partes dos quais podem ser reduzidas 1.000 vezes.
- Ao alinhar dois flocos de NbOCl₂ perpendicularmente, a equipe alcançou o confinamento da polarização sem grandes dispositivos ópticos, o que pode permitir a integração eficiente da fotônica quântica em sistemas baseados em chips.
- O novo método de empilhamento permitiu a geração de pares de fótons com 86% de confiabilidade, demonstrando uma forma confiável de criar estados ligados quânticos.
- Embora a taxa de geração de fótons seja promissora, o trabalho futuro se concentrará na melhoria da produção e da confiabilidade por meio de padronização espacial e integração com nanoestruturas ressonantes para melhorar o desempenho.
A engenharia de Van der Waals, uma técnica historicamente usada para modificar materiais empilhando materiais bidimensionais, tem sido usada em aplicações que vão desde supercondutividade até o efeito Hall anômalo quântico fracionário. Agora, os cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang, Singapura, estão a levar esta abordagem noutra direção. Num estudo publicado recentemente na Nature Photonics, investigadores mostram como materiais ultrafinos podem produzir pares de fotões emaranhados utilizando computação quântica – potencialmente reduzidos por um factor de 1.000.
Produção de imagens usando pequenos materiais: superando desafios críticos
Liderado pelo Prof. Gao Weibo, a equipe da NTU desenvolveu um método para fazer pares de fótons usando flocos de dicloreto de óxido de nióbio (NbOCl₂) com espessura de 1,2 micrômetros. De acordo com uma postagem recente, isso é 80 vezes menor que um fio de cabelo. Tradicionalmente, grandes materiais ópticos eram necessários para manter o emaranhamento de fótons, tornando um desafio a integração desses sistemas em chips quânticos. Mas a abordagem da equipe da NTU pode contornar a necessidade da configuração complexa usual.
Conforme observado pela equipe, a computação quântica com fótons como qubits tem vantagens únicas, como a capacidade de trabalhar em temperatura ambiente, em comparação com qubits baseados em elétrons, que exigem uma temperatura muito mais baixa. Os fótons, quando produzidos como pares emaranhados, podem conter medições quânticas que permitem cálculos rápidos, realizando vários cálculos simultaneamente. No entanto, um dos maiores obstáculos ao uso de fótons tem sido a dificuldade de produzir pares de fótons suficientemente emaranhados, especialmente com materiais finos.
Para resolver isso, a equipe da NTU utilizou dicloreto de óxido de nióbio, uma substância com propriedades ópticas especiais. Ao empilhar dois flocos muito finos deste material com os seus grãos de cristal alinhados com precisão, os investigadores criaram com sucesso pares de fotões emaranhados sem necessidade de equipamento de sincronização adicional. Isto pode apresentar novas oportunidades para sistemas fotônicos quânticos incontroláveis e eficientes, que podem permitir a integração de tecnologias quânticas diretamente em plataformas baseadas em chips, mantendo o desempenho e reduzindo a complexidade.
Controle inovador de empilhamento e polarização
A chave para o sucesso da pesquisa é uma nova forma de empilhamento. A equipe da NTU fez dois pequenos flocos de NbOCl₂ em ângulos retos, permitindo-lhes obter controle de polarização – um requisito básico para a computação quântica que anteriormente dependia de materiais cada vez maiores. De acordo com a equipe, os pares de fótons emaranhados por polarização têm sido a base de experimentos de óptica quântica há décadas, mas geralmente requerem materiais grandes e volumosos. Com a engenharia de van der Waals, fótons polarizados podem ser produzidos sem a necessidade desta configuração em grande escala.
Ao depositar os minúsculos flocos, os pesquisadores produziram pares de fótons com alto grau de coerência quântica. Eles mediram a confiabilidade do estado aprisionado por polarização em 86%, indicando que este método de engenharia de van der Waals pode ser uma maneira confiável de criar estados altamente aprisionados e de integrar dispositivos fotônicos quânticos diretamente em chips.
Limitações e próximas etapas
Embora a taxa de produção de pares de fótons seja impressionante em comparação com outras fontes de subcomprimentos de onda, ela ainda precisa ser melhorada para competir com fontes convencionais em massa. Os pesquisadores concordam que aumentar a taxa de produção melhorará a confiabilidade dos disjuntores, reduzindo o ruído de fundo.
No futuro, a equipe da NTU planeja melhorar o processo de geração de fótons. Isso pode envolver a adição de padrões em microescala à superfície dos flocos de NbOCl₂ ou a exploração de como diferentes materiais podem ser agrupados para melhorar a emissão de fótons. Outra direção possível é combinar essas estruturas de van der Waals com nanoestruturas ressonantes ou cavidades ópticas para melhorar ainda mais a geração de pares de fótons.
Implicações para a computação quântica e além
Esta aplicação da engenharia de Van der Waals não afetará apenas a computação quântica, mas também as telecomunicações seguras e outras tecnologias quânticas. A capacidade de tornar partículas quânticas 1.000 vezes menores poderia levar a sistemas quânticos compactos, pulsantes e energeticamente eficientes.
Com a computação quântica virtual prática e escalonável no horizonte, a pesquisa da NTU destaca o papel potencial que o emaranhado fotônico pode desempenhar no futuro desta tecnologia, tornando os sistemas quânticos menores, mais leves e mais integrados.
Os autores que contribuíram para o estudo incluem Leevi Kallioniemi, Xiaodan Lyu, Ruihua He, Abdullah Rasmita, Ruihuan Duan, Zheng Liu e Weibo Gao.
