Memória atômica: fóton grava e lê dados em um único átomo

Olivia Meyer-Streng - 04/05/2011

Estes dispositivos são requisitos fundamentais para o processamento de informações em um computador quântico e para a implementação de comunicações quânticas de longa distância.
[Imagem: Andreas Neuzner]

Rede quântica universal

Cientistas austríacos alcançaram um feito inédito, ao transferir a informação codificada de um único fóton para um único átomo.

No átomo, a informação foi armazenada durante algum tempo e recuperada mais tarde.

"Isso nos dá um nó de uma rede quântica universal", comemora o Dr. Gerhard Rempe, do Instituto Max-Planck de Óptica Quântica, coordenador do trabalho.

O experimento abre novas perspectivas para o desenvolvimento de redes quânticas escaláveis, nas quais os fótons comunicam informação quântica entre vários nós, a longas distâncias.

Memória quântica

Em uma série de medições usando diferentes estados de polarização na entrada, a fidelidade entre os fótons originais e os fótons lidos mostrou-se superior a 90 por cento em todos os casos.

"A fidelidade com o fóton de entrada que nós conseguimos com o nosso novo método é muito melhor do que aquilo que seria possível com qualquer tipo de dispositivo de medição clássica," afirma Christian Nölleke, coautor do trabalho.

Considerando a eficiência de armazenamento e a fidelidade alcançadas, o sistema é comparável às melhores memórias quânticas já construídas, com a diferença que o seu "hardware" consiste em apenas um único átomo.

Ao mesmo tempo, a memória atômica oferece tempos de armazenamento de cerca de 200 microssegundos, o que ultrapassa todos os valores obtidos com memórias ópticas até o momento.

Esquema mostra o uso de um lasers para aprisionar o átomo-memória e de outro laser de controle para gravar e ler as informações.
[Imagem: Specht et al./Nature]

Memória atômica

A miniaturização contínua dos componentes usados para armazenar informações no interior dos chips alcançou um limite a partir de onde as leis da física clássica não podem mais ser aplicadas.

Em vez disso, os sistemas são regidos pelas leis da mecânica quântica.

Neste limite físico, o menor dispositivo de armazenamento possível consiste de um único átomo, enquanto a menor unidade possível para a transferência de dados óptica é um único fóton.

As propriedades especiais dessas partículas quânticas podem então ser usadas para desenvolver novas aplicações, por exemplo, dispositivos de criptografia quântica ou portas lógicas para processar a informação quântica, atingindo velocidades inimagináveis.

A implementação dessas novas tecnologias requer novos conceitos de transferência e armazenamento de informações.

E o candidato mais promissor é a implementação de uma rede de memórias quânticas distribuídas comunicando-se umas com as outras através da troca de fótons.

Informação da luz para a matéria

Este desenvolvimento exige dois elementos principais.

O primeiro, a transferência da informação quântica armazenada em um nó de memória para um único fóton, já foi demonstrado pela mesma equipe, com a implementação de um emissor de fótons individuais baseado em um único átomo.

O segundo, escrever um qubit fotônico em uma outra memória quântica estacionária, e ler esse qubit novamente, sem distorção significativa, tem sido realizado até agora somente através de experiências com conjuntos formados por milhares de partículas, com a informação sendo mapeada em uma excitação atômica compartilhada pelo conjunto de átomos.

• Memória óptica armazena e recupera pulsos de luz individuais

A fim de tirar vantagem integral das oportunidades oferecidas pela mecânica quântica, criando implementações práticas - por exemplo, em computadores quânticos - seria muito melhor trocar informações entre as partículas individuais de luz e de matéria - fótons e átomos - que possam ser dirigidas e manipuladas diretamente.

O processo de armazenamento no átomo pode ser descrito como uma deformação (esfera azulada) da esfera de Poincaré (círculos pretos). Os pontos coloridos indicam as polarizações dos estados de entrada sobre os eixos depois da gravação.
[Imagem: Specht et al./Nature]

Gravação na memória atômica

No experimento agora realizado, um único átomo de rubídio foi utilizado pela primeira vez como uma memória quântica.

A fim de aumentar seu fraco acoplamento a um único fóton, o átomo é aprisionado dentro de um ressonador óptico, formado por dois espelhos altamente refletores.

Lá, o átomo é mantido no lugar com a luz de um laser, enquanto o fóton que entra é refletido entre os dois espelhos cerca de 20.000 vezes.

Agora, a informação quântica armazenada no fóton precisa ser escrita no átomo.

"Enquanto um bit clássico sempre representa inequivocamente um dentre dois valores possíveis - 0 ou 1 -, um bit quântico é a superposição coerente de dois estados quânticos," explica o Dr. Holger Specht, coautor da pesquisa. "Assim, nós codificamos a informação usando uma superposição coerente de dois estados de polarização do fóton, por exemplo, uma polarização à direita e outra à esquerda."

A transferência da informação óptica quântica é garantida por um laser de controle: quando tanto o qubit fotônico quanto o laser de controle estão presentes, o átomo faz uma transição para um estado que é - e é aí que está o truque - uma superposição coerente de dois sub-estados.

As quantidades relativas dos dois sub-estados correspondem aos respectivos valores dos dois estados de polarização do fóton de entrada.

Leitura da memória atômica

Depois de um tempo variável de armazenamento, a leitura da informação quântica é iniciada, um trabalho também executado pelo laser de controle.

Agora, todo o processo se inverte e o qubit fotônico é liberado, com uma eficiência média de cerca de 10 por cento.

"Ainda há espaço para melhorar os tempos de fidelidade e de armazenamento por meio da otimização das condições experimentais," explica o Dr. Stephan Ritter.

A seguir, os cientistas planejam usar o sistema para demonstrar uma rede quântica básica, formada por dois nós de comunicação.

Devido às suas propriedades universais, a memória quântica agora demonstrada é um marco para o desenvolvimento de portas lógicas ópticas e repetidores quânticos.

Estes dispositivos são requisitos fundamentais para o processamento de informações em um computador quântico e para a implementação de comunicações quânticas de longa distância.

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