Nova quasipartícula faz a ponte entre a computação eletrônica e a quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/10/2023

A quasipartícula híbrida tem os elementos necessários para acoplar as frequências muito diferentes das comunicações ópticas com a computação quântica.
[Imagem: A. S. Kuznetsov et al. - 10.1038/s41467-023-40894-7]

Fonoriton

Uma equipe de físicos da Alemanha e da Argentina descobriu que, se você pegar um fluido quântico formado por fótons (luz) e misturá-lo a outro líquido quântico formado por fônons (som, na frequência de GHz), a interação dos dois gera uma quasipartícula há muito procurada, chamada fonoriton.

O fonoriton é composto por um quantum de luz (fóton), um quantum de som (fônon) e um éxciton semicondutor - este último é ele próprio uma quasipartícula formada por uma carga negativa emparelhada com uma carga positiva.

E um fonoriton não é uma quasipartícula qualquer: Ele permite converter de forma coerente informações entre os domínios óptico e de micro-ondas, trazendo benefícios para os campos da fotônica, optomecânica e das comunicações de dados em sentido amplo - das atuais fibras ópticas às comunicações necessárias para criar uma internet quântica. O modo mais eficiente disponível até hoje, apresentado há poucos dias, usa gases quânticos confinados, mas lidar com quasipartículas pode ser ainda mais simples.

Regime de acoplamento forte

O trabalho, que foi coordenado pelo físico brasileiro Paulo Ventura Santos, do Instituto Paul Drude, na Alemanha, tirou inspiração de um fenômeno cotidiano: A transferência de energia entre dois osciladores acoplados, como, por exemplo, dois pêndulos ligados por uma mola.

Sob condições específicas de acoplamento, conhecidas como regime de acoplamento forte, a energia oscila continuamente entre os dois pêndulos, que não são mais independentes, já que suas frequências e taxas de decaimento não são mais as mesmas de quando estavam desacoplados. Acontece que os osciladores também podem ser estados quânticos fotônicos ou eletrônicos e, neste caso, o regime de acoplamento forte é fundamental para o controle e a troca entre estados quânticos.

No exemplo dos dois osciladores mecânicos, ambos têm a mesma frequência. No entanto, a interligação entre múltiplas tecnologias, como a eletrônica e a quântica, requerem a junção de frequências muito diferentes. Por exemplo, enquanto os computadores quânticos mais promissores operam com qubits de micro-ondas (ou seja, a poucos GHz), as informações quânticas são transferidas de forma eficiente usando fótons infravermelhos próximos (centenas de THz). Para criar uma internet quântica, será necessário prover uma transferência bidirecional e coerente de informações entre esses domínios. Ocorre que a conversão direta entre qubits de micro-ondas e fótons é muito ineficiente.

Esquema do dispositivo construído pela equipe usando as técnicas de fabricação da microeletrônica.
[Imagem: A. S. Kuznetsov et al. - 10.1038/s41467-023-40894-7]

Gerador de fonoritons

A equipe agora criou uma alternativa: Mediar a conversão por uma terceira partícula, que possa acoplar-se eficientemente tanto aos qubits de micro-ondas quanto aos fótons. É aí que surge o interesse no fonoriton: Como ele é formado por uma união dos todos os elementos envolvidos, ele se torna um intermediário promissor para interligar as diferentes tecnologias.

A inovação da equipe está em criar uma técnica bastante simples para produzir fonoritons, que mal haviam sido gerados em laboratório até agora, e mesmo assim usando aparatos muito complexos. O novo dispositivo consiste em um ressonador de microcavidade - os gases quânticos ficam presos nas microcavidades, também conhecidas como armadilhas - acoplado a um transdutor piezoelétrico. Fabricado no topo da microcavidade e ao redor da armadilha, o transdutor controla o dispositivo com microondas e injeta fônons de 7 GHz na armadilha. A interação cria fonoritons de modo coerente e com alta confiabilidade.

O próximo passo será utilizar o dispositivo em uma demonstração prática de acoplamento entre circuitos operando nas duas faixas de frequência.

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