Pequenas gaiolas de luz impressas em 3D podem desbloquear a Internet quântica

Um novo estudo publicado em Luz: Ciência e Aplicações relata um grande avanço nesta área. Pesquisadores da Humboldt-Universität zu Berlin, do Instituto Leibniz de Tecnologia Fotônica e da Universidade de Stuttgart introduziram um novo tipo de memória quântica construída a partir de estruturas nanoimpressas em 3D conhecidas como “gaiolas de luz” cheias de vapor atômico. Ao reunir luz e átomos em um único chip, a equipe criou uma plataforma projetada para escalabilidade e integração perfeita em sistemas fotônicos quânticos.

O que torna as gaiolas leves diferentes

As gaiolas de luz são guias de onda de núcleo oco projetados para guiar a luz com firmeza e, ao mesmo tempo, permitir o acesso ao espaço interno. Este design oferece uma vantagem importante sobre as fibras convencionais de núcleo oco, que podem levar meses para serem preenchidas com vapor atômico. Em contraste, a estrutura aberta das gaiolas de luz permite que os átomos de césio se difundam no núcleo muito mais rapidamente, reduzindo o processo de enchimento para apenas alguns dias, sem sacrificar o desempenho óptico.

As estruturas são fabricadas usando litografia de polimerização de dois fótons com sistemas comerciais de impressão 3D. Essa abordagem permite que os pesquisadores imprimam diretamente guias de ondas de núcleo oco intrincados em chips de silício com precisão extremamente alta. Para proteger os dispositivos de reações químicas com o césio, os guias de ondas são revestidos com uma camada protetora. Os testes não mostraram sinais de degradação mesmo após cinco anos de operação, destacando a estabilidade do sistema a longo prazo.

“Criamos uma estrutura orientadora que permite a rápida difusão de gases e fluidos dentro de seu núcleo, com a versatilidade e reprodutibilidade proporcionadas pelo processo de nanoimpressão 3D. Isso permite a verdadeira escalabilidade desta plataforma, não apenas para a fabricação intra-chip dos guias de onda, mas também inter-chip, para a produção de múltiplos chips com o mesmo desempenho, “explicou a equipe de pesquisa.

Transformando luz em informação quântica armazenada

Dentro das gaiolas de luz, os pulsos de luz que chegam são eficientemente convertidos em excitações coletivas dos átomos circundantes. Após um tempo de armazenamento escolhido, um laser de controle reverte esse processo e libera a luz armazenada exatamente quando necessário. Numa demonstração importante, os investigadores armazenaram com sucesso pulsos de luz muito fracos contendo apenas alguns fotões durante várias centenas de nanossegundos. Eles acreditam que esta abordagem pode eventualmente ser estendida para armazenar fótons únicos por muitos milissegundos.

Outro marco importante foi a integração de múltiplas memórias de gaiola de luz em um único chip colocado dentro de uma célula de vapor de césio. As medições mostraram que diferentes light cages com o mesmo design proporcionaram desempenho de armazenamento quase idêntico em dois dispositivos separados no mesmo chip. Este nível de consistência é essencial para a construção de sistemas quânticos escaláveis.

A forte reprodutibilidade vem da precisão do processo de nanoimpressão 3D. As variações dentro de um único chip foram mantidas abaixo de 2 nanômetros, enquanto as diferenças entre os chips permaneceram abaixo de 15 nanômetros. Esse controle rígido é fundamental para a multiplexação espacial, uma técnica que poderia aumentar drasticamente o número de memórias quânticas operando juntas em um dispositivo.

Implicações para redes quânticas e computação

As memórias quânticas de gaiola leve abordam vários desafios de longa data na tecnologia quântica. Em redes repetidoras quânticas, eles poderiam sincronizar vários fótons únicos ao mesmo tempo, aumentando enormemente a eficiência da comunicação quântica de longa distância. Na computação quântica fotônica, as memórias fornecem atrasos controlados que são necessários para operações de feed-forward em sistemas de computação quântica baseados em medição.

A plataforma também se destaca pela praticidade. Ao contrário de muitas tecnologias concorrentes, ele opera ligeiramente acima da temperatura ambiente e não requer resfriamento criogênico ou configurações complexas de captura de átomos. Isso torna o sistema mais fácil de implantar, ao mesmo tempo que oferece maior largura de banda por modo de memória. A capacidade de produzir muitas memórias quânticas idênticas em um único chip abre um caminho claro para a integração fotônica quântica em grande escala.

Graças ao seu processo de fabricação flexível, a tecnologia pode ser potencialmente combinada com acoplamento direto de fibra e componentes fotônicos existentes. Essas vantagens posicionam as memórias quânticas de gaiola leve como um forte candidato para a futura infraestrutura de comunicação quântica.

Um caminho escalonável a seguir

O desenvolvimento de memórias quânticas em gaiolas de luz marca um passo significativo na pesquisa fotônica quântica. Ao fundir a nanoimpressão 3D avançada com os princípios básicos da óptica quântica, os pesquisadores criaram um sistema compacto e escalonável que poderia acelerar a chegada de redes quânticas práticas e de computadores quânticos mais poderosos.