Fótons “purificadores”: os cientistas encontraram uma maneira de limpar a própria luz

A equipe se concentrou em dois obstáculos principais que dificultam a geração de um fluxo confiável de fótons únicos, que são essenciais para computadores quânticos fotônicos e redes de comunicação seguras.

Um desafio é conhecido como dispersão de laser. Quando um laser incide sobre um átomo para desencadear a liberação de um fóton, o processo também pode produzir fótons extras indesejados. Essas partículas adicionais agem como interferência em um circuito óptico, reduzindo a eficiência da mesma forma que uma corrente elétrica parasita interrompe um circuito convencional.

Uma segunda questão surge da forma como os átomos às vezes respondem à luz laser. Em casos raros, um átomo emite mais de um fóton por vez. Quando isso acontece, a ordem precisa necessária para as operações quânticas é interrompida, uma vez que os fótons extras interferem no fluxo pretendido, um por um.

Usando ruído de laser para cancelar luz indesejada

No novo estudo, Matthew Nelson, estudante de pós-graduação do Departamento de Física e Astronomia, encontrou uma ligação inesperada entre estes dois problemas. Ele descobriu que quando um átomo libera vários fótons, o espectro de comprimento de onda resultante e a forma de onda correspondem muito aos da própria luz do laser.

Segundo os investigadores, esta semelhança significa que os dois sinais podem ser cuidadosamente ajustados para se anularem. Com efeito, a dispersão do laser que normalmente causa problemas pode ser usada para suprimir as emissões indesejadas de fótons.

“Mostramos que a dispersão dispersa do laser, normalmente considerada um incômodo, pode ser aproveitada para cancelar a emissão indesejada de vários fótons”, diz Ravitej Uppu, professor assistente do Departamento de Física e Astronomia e autor correspondente do estudo. “Este avanço teórico pode transformar um problema de longa data em uma nova ferramenta poderosa para o avanço das tecnologias quânticas”.

Por que fótons únicos são importantes para a computação quântica

A computação fotônica depende da luz e não da eletricidade para realizar cálculos, oferecendo potencial para sistemas mais rápidos e eficientes. Os computadores convencionais operam usando bits – fluxos de pulsos elétricos ou ópticos que representam uns ou zeros. Em vez disso, os computadores quânticos usam qubits, que geralmente são partículas subatômicas, como fótons.

Muitas empresas de tecnologia emergentes acreditam que as plataformas fotônicas desempenharão um papel fundamental no futuro da computação quântica. Um fluxo estável e bem controlado de fótons únicos é fundamental para tornar essa visão prática.

Um fluxo ordenado de fótons é mais fácil de gerenciar e dimensionar, além de melhorar a segurança. Os pesquisadores comparam isso a guiar os alunos através de uma fila de refeitório, um de cada vez, em vez de deixá-los se moverem como uma multidão. Da mesma forma, uma linha de fótons simples reduz o risco de os dados serem interceptados ou ouvidos.

Controle de precisão para fluxos de fótons mais limpos

Uppu explica que o controle cuidadoso do feixe de laser é a chave para o novo método. “Se pudermos controlar exatamente como o feixe de laser brilha sobre um átomo – o ângulo em que ele vem, a forma do feixe, e assim por diante – podemos realmente fazer com que ele cancele todos os fótons adicionais que o átomo gosta de emitir”, diz ele. “Ficaríamos com um fluxo que é realmente muito puro.”

O trabalho mostra, em teoria, que duas barreiras principais para circuitos fotônicos mais rápidos podem ser abordadas ao mesmo tempo. Se confirmada experimentalmente, a técnica poderá ajudar a acelerar o desenvolvimento de computadores quânticos avançados e de sistemas de comunicação mais seguros. Os pesquisadores planejam testar a ideia em experimentos futuros.

Detalhes do estudo e financiamento

O estudo, “Purificação assistida por ruído de uma fonte de fóton único”, foi publicado na revista Óptica Quântica.

O financiamento para a pesquisa veio do Gabinete do Subsecretário de Defesa para Pesquisa e Engenharia do Departamento de Defesa dos EUA. Apoio adicional foi fornecido por meio de uma doação inicial do Escritório do Vice-Presidente de Pesquisa da Universidade de Iowa por meio do programa P3, que ajudou a lançar o projeto.