Miniaturizado gerador de fótons entrelaçados para tecnologias quânticas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/01/2025

Esquema dos fótons entrelaçados gerados em uma pilha periodicamente polarizada de cristais de monoatômicos.
[Imagem: Ella Maru Studios]

Gerador de fótons entrelaçados

Existe uma maneira mais simples e muito mais miniaturizada de gerar pares de fótons entrelaçados, algo essencial para a computação e a comunicação quânticas.

O entrelaçamento quântico garante que tudo o que acontecer a um dos fótons do par afetará imediatamente o outro, independentemente da distância entre eles. E isso é ótimo porque permite controlar partículas nos computadores quânticos sem nem mesmo precisar acessá-las diretamente.

Chiara Trovatello e colegas da Universidade de Colúmbia, nos EUA, construíram um chip minúsculo, inteiramente de estado sólido, que faz todo o trabalho de entrelaçamento entre os fótons, substituindo os enormes aparatos ópticos, com lasers, cristais, lentes e espelhos cuidadosamente espaçados.

Medindo apenas 3,4 micrômetros de espessura, o novo dispositivo aponta para um futuro em que os sistemas quânticos poderão caber inteiros em um chip de silício. Essa mudança permitirá ganhos significativos na eficiência energética e nas capacidades técnicas gerais dos dispositivos quânticos.

"Este trabalho representa a materialização do objetivo há muito buscado de criar uma ponte entre a óptica não linear e a óptica quântica macroscópicas e microscópicas," disse o professor James Schuck. "Ele fornece a base para dispositivos integráveis em chip escaláveis e altamente eficientes, como geradores de pares de fótons emaranhados microscópicos ajustáveis."

Placas monoatômicas de molibdenita (a e b) e esquema de fabricação do gerador de pares de fótons com entrelaçamento quântico.
[Imagem: Chiara Trovatello et al. - 10.1038/s41566-024-01602-z]

Materiais de van der Waals

Para miniaturizar o gerador de fótons entrelaçados, a equipe usou cristais de van der Waals, placas finas da família já bem conhecida da molibdenita, mais especificamente de um metal de transição semicondutor chamado dissulfeto de molibdênio (MoS₂).

Foram usados seis desses pedaços de cristal para formar uma pilha cuidadosamente projetada, em que cada floco bidimensional fica girado 180 graus em relação às placas de cristal acima e abaixo dele.

À medida que a luz viaja através dessa pilha, suas propriedades são alteradas por um fenômeno chamado quase-correspondência de fase, que resulta na criação de fótons entrelaçados. É uma simplificação radical em relação a todos os dispositivos anteriores.

Tudo funciona nos comprimentos de onda da luz usada em telecomunicações.
[Imagem: Chiara Trovatello et al. - 10.1038/s41566-024-01602-z]

Impacto imediato

É a primeira vez que a quase-correspondência de fase foi usada em materiais monoatômicos para gerar pares de fótons entrelaçados em comprimentos de onda que são úteis para as telecomunicações. E a técnica mostrou-se significativamente mais eficiente do que os métodos anteriores e muito menos propensa a erros.

"Acreditamos que essa inovação estabelecerá os materiais de van der Waals como o núcleo das arquiteturas fotônicas quânticas e não lineares de próxima geração, sendo eles candidatos ideais para habilitar todas as futuras tecnologias integradas em chip e substituir os atuais cristais em massa e periodicamente polarizados," disse Schuck. "Essas inovações terão um impacto imediato em diversas áreas, incluindo a distribuição [de chaves quânticas] baseada em satélite e a comunicação quântica por telefone celular."

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