Dentro brevemente
- Os pesquisadores da Columbia Engineering desenvolveram um dispositivo compacto e com baixo consumo de energia para gerar pares de fótons emaranhados, um avanço na óptica quântica e na integração da tecnologia quântica no chip.
- O dispositivo, feito de cristais em camadas de dissulfeto de molibdênio, usa correspondência de quase fase para controlar as propriedades da luz e gerar pares de fótons em frequências de telecomunicações, alcançando alta eficiência e confiabilidade em comparação aos métodos tradicionais.
- Esta inovação, que faz parte de um programa de investigação do Departamento de Energia, abre caminho para potenciais sistemas quânticos, que poderiam ser utilizados em comunicações quânticas, radiodifusão por satélite e estruturas avançadas de imagem.
- Imagem: Esquema de fótons ligados produzidos em uma pilha periodicamente empilhada de cristais 3R-MoS2. (Estúdio Ella Maru)
NOTÍCIAS – Os físicos passaram mais de um século medindo e dando sentido às estranhas maneiras pelas quais fótons, elétrons e outras partículas subatômicas interagem em escalas muito pequenas. Os engenheiros passaram décadas tentando descobrir como usar essas condições para criar novas tecnologias.
Num desses fenómenos, denominado emaranhamento quântico, pares de fotões estão emaranhados de tal forma que o estado de um fotão muda rapidamente para corresponder ao estado do seu fotão emparelhado, independentemente da distância entre eles.
Quase 80 anos atrás, Albert Einstein chamou esse fenômeno de “ação assustadora à distância”. Hoje, o emaranhamento é tema de programas de pesquisa em todo o mundo – e está se tornando uma forma popular de usar a forma mais importante de informação quântica, o qubit.
Atualmente, a maneira mais eficiente de criar pares de fótons requer o envio de ondas de luz através de um cristal grande o suficiente para ser visto fora de um microscópio. Num artigo publicado hoje na Nature Photonics, uma equipa liderada por investigadores e colaboradores da Columbia Engineering descreve uma nova forma de criar estes pares de fotões que alcançam alto desempenho num dispositivo muito pequeno que utiliza pouca energia. P. James Schuck, professor associado de engenharia mecânica na Columbia Engineering, ajudou a liderar a equipe de pesquisa.
A descoberta representa um importante avanço no campo da óptica não linear, que trata do uso da tecnologia para modificar as propriedades da luz para aplicações que incluem lasers, comunicações e equipamentos de laboratório.
“Este trabalho representa a realização de um objetivo há muito almejado de unificar a óptica quântica e não linear macroscópica e microscópica”, disse Schuck, que co-dirige o MS em Ciência e Tecnologia Quântica da Columbia. “Ele fornece a base para dispositivos on-chip altamente eficientes e facilmente conectáveis, como geradores microscópicos funcionais de pares de fótons emaranhados.”
Como é que isso funciona
Medindo 3,4 micrômetros de espessura, o novo dispositivo aponta para um futuro onde este componente crítico de muitos sistemas quânticos poderá caber em um chip de silício. Esta mudança permitirá ganhos significativos na eficiência energética e nas capacidades técnicas gerais dos dispositivos quânticos.
Para construir o dispositivo, os pesquisadores usaram pequenos cristais de um metal de transição semicondutor chamado van der Waals, chamado dissulfeto de molibdênio. Em seguida, eles colocaram seis dessas peças de cristal em uma pilha, cada peça girada 180 graus em relação às placas de cristal acima e abaixo. À medida que a luz viaja através desta pilha, um fenômeno chamado correspondência de quase fase altera as propriedades da luz, permitindo a criação de fótons emparelhados.
Este artigo representa a primeira vez que o casamento de quase fase em qualquer material de van der Waals foi usado para gerar pares de fótons em comprimentos de onda úteis para comunicações. O processo é mais eficiente que os métodos anteriores e menos sujeito a erros.
“Acreditamos que esta inovação estabelecerá os materiais de van der Waals como o núcleo das estruturas fotônicas quânticas e não lineares da próxima geração, e eles serão os candidatos ideais para permitir todas as futuras tecnologias no chip e substituir os atuais cristais em massa e ocasionalmente dopados, “, disse Schuck.
“Esses novos sistemas terão um impacto imediato em diversas áreas, incluindo distribuição por satélite e comunicações quânticas celulares”.
Como aconteceu
Schuck e sua equipe aproveitaram seu trabalho anterior para desenvolver o novo dispositivo. Em 2022, a equipe mostrou que materiais como o dissulfeto de molibdênio têm propriedades úteis para óptica não linear – mas o desempenho foi limitado pela tendência das ondas de luz interferirem umas nas outras enquanto viajam através do material.
A equipe recorreu a uma técnica chamada poling periódica para lidar com esse problema, conhecida como correspondência de fase. Ao alternar a direção das placas na pilha, o dispositivo manipula a luz de uma forma que permite o emparelhamento de fótons em pequenas escalas de comprimento.
“Assim que percebemos o quão surpreendentes eram essas coisas, sabíamos que tínhamos que realizar pesquisas periódicas, o que permitiria uma geração mais eficiente de pares de fótons”, disse Schuck.
Este trabalho ocorreu dentro de Materiais Quânticos Programáveis, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia do Departamento de Energia (EFRC) em Columbia, como parte de um esforço maior para compreender e usar materiais quânticos. Este trabalho foi possível graças às contribuições dos laboratórios Baso, Delor e Dean. A pesquisadora de pós-doutorado Chiara Trovatello liderou o esforço.
