Criada uma interface de informação quântica a temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/10/2023

Impressão artística dos átomos de Rydberg convertendo um campo de micro-ondas em um feixe óptico a temperatura ambiente.
[Imagem: M. Mazelanik, University of Warsaw]

Conversor de micro-ondas para luz visível

Físicos poloneses criaram um dispositivo capaz de converter informações quânticas entre fótons de micro-ondas e de luz visível.

Além de ser um elemento essencial para a comunicação entre a tecnologia atual, baseada em eletrônica, e as tecnologias quânticas (computação, criptografia etc), o componente é fundamental para a futura infraestrutura de uma internet quântica, tendo ainda uso na radioastronomia de micro-ondas.

A computação quântica tem sido feita principalmente com fótons de micro-ondas interagindo com qubits supercondutores, mas não é uma boa ideia transferir a informação quântica a longa distância codificada nessa frequência devido ao acúmulo de ruído. A ideia então é aproveitar a infraestrutura atual de fibras ópticas, que usam fótons ópticos. Assim, é essencial desenvolver um conversor de micro-ondas para óptica, que funcionará como interface entre os computadores quânticos, a internet quântica e a infraestrutura eletrônica.

Ocorre que é difícil fazer operações de conversão de fótons individuais entre as duas frequências porque os fótons ópticos possuem energia dez mil vezes maior do que os fótons de micro-ondas, havendo poucos meios capazes de interagir simultaneamente com as duas frequências. Além disso, os dispositivos responsáveis por isso precisam ser muito precisos e gerar muito pouco ruído.

O meio mais conhecido capaz de interagir tanto com micro-ondas quanto com fótons ópticos são os átomos de Rydberg, normalmente construídos a partir de um conjunto ultrafrio de átomos do elemento rubídio. Essa nuvem de rubídio funciona como o núcleo do átomo, enquanto um laser energiza fortemente um elétron, o que o leva a orbitar o núcleo a uma distância muito grande, mas sem se desprender dele - os átomos aumentam mil vezes de tamanho e adquirem muitas propriedades interessantes, incluindo a interação com múltiplas frequências de radiação eletromagnética.

Agora, pela primeira vez, Sebastian Borówka e seus colegas da Universidade de Varsóvia conseguiram demonstrar a conversão de micro-ondas para óptico a temperatura ambiente, viabilizando o uso da técnica como um componente prático de uma rede.

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O conversor é muito mais simples do que os aparatos magneto-ópticos criogênicos usados até agora.
[Imagem: Sebastian Borówka et al. - 10.1038/s41566-023-01295-w]

Conversão a temperatura ambiente

Em vez de utilizar átomos ultrafrios presos em uma complexa armadilha magneto-óptica, como normalmente se faz, Borówka usou vapores atômicos dentro de uma célula de vidro, que ficam estáveis a temperatura ambiente sem perder a capacidade de fazer o acoplamento entre as duas frequências.

O conversor é notavelmente mais simples do que os aparatos de laboratório de hoje, além de poder ser miniaturizado no futuro. E, embora a configuração seja muito simples, os parâmetros da conversão são surpreendentemente melhores do que os obtidos em aparatos criogênicos.

Outra vantagem é que o dispositivo pode funcionar sem parar, já que os átomos não precisam ser preparados em uma sequência temporal específica, o que pode ocupar mais de 99% do tempo operacional dos dispositivos demonstrados até agora. Finalmente, o novo esquema de conversão apresenta níveis de ruído muito baixos, podendo realizar operações mesmo com fótons únicos.

A equipe demonstrou o funcionamento do conversor detectando radiação térmica de micro-ondas à temperatura ambiente - é a primeira vez que isso é feito sem o uso de antenas de micro-ondas ou amplificadores especiais de baixo ruído. Para chegar ao nível térmico, o dispositivo tem que ser sensível a fótons únicos, mas, mesmo assim, o conversor consegue funcionar com radiação de micro-ondas um milhão de vezes mais forte sem sofrer danos, em contraste com outros dispositivos de micro-ondas padrão.

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Apesar da simplicidade, a eficiência é maior do que a obtida com conversores ultrafrios.
[Imagem: Sebastian Borówka et al. - 10.1038/s41566-023-01295-w]

Radioastronomia e comunicações sem fio

Além de essenciais para a futura internet quântica, as operações de micro-ondas de fóton único serão importantes em observações astronômicas, detectando as propriedades de corpos distantes ou a forma do Universo primitivo por meio de medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Hoje ainda não é possível fazer medições que retenham informação quântica em fótons de micro-ondas, de modo que esta conversão de micro-ondas em óptica pode criar um novo ramo da radioastronomia.

As comunicações atuais também poderão se beneficiar desta inovação na detecção de micro-ondas. As tecnologias móveis de última geração estão sendo projetadas para utilizar intensamente bandas de transmissão de micro-ondas de alta frequência, mas elas ainda são difíceis de emitir e detectar em circuitos elétricos convencionais. No futuro, sensores atômicos de micro-ondas poderão ser uma parte crucial da conexão de alta velocidade à internet.

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