Transdutor optomecânico abre caminho para redes quânticas avançadas

Com informações da Agência Fapesp - 01/12/2023

Ilustração do processo de espalhamento da luz interna à cavidade diretamente ao guia de onda, por meio da interação entre os domínios óptico e mecânico.
[Imagem: André Garcia Primo/Unicamp]

Conexão optomecânica

Transmitir informações de forma coerente, na banda do espectro eletromagnético compreendido entre micro-ondas e luz infravermelha, é fundamental para o desenvolvimento de redes quânticas avançadas empregadas em computação e comunicação.

Pesquisadores do Brasil (Unicamp), Países Baixos (TU Delft) e Suíça (ETH de Zurique) avançaram agora no uso de cavidades optomecânicas nanométricas com essa finalidade - um dispositivo optomecânico conecta diretamente luz com vibrações mecânicas.

Essas cavidades - são ressonadores construídos na escala do nanômetro - promovem a interação de vibrações mecânicas de alta frequência (fônons) com luz infravermelha (fótons), em comprimentos de onda utilizados pela indústria de telecomunicações.

"Os ressoadores nanomecânicos atuam como pontes entre circuitos supercondutores e fibras ópticas. Os circuitos supercondutores são, hoje, uma das tecnologias mais promissoras para a computação quântica, enquanto as fibras ópticas já estão consagradas como transmissoras de informação por longas distâncias, com pouco ruído e sem perda de sinal," explicou o professor Thiago Alegre, da Unicamp.

Uma das inovações apresentadas agora pela equipe consiste na introdução da optomecânica dissipativa. Os dispositivos optomecânicos tradicionais dependem de interações puramente dispersivas, nas quais apenas os fótons confinados na cavidade são eficientemente dispersos. Já na abordagem dissipativa, os fótons podem ser espalhados diretamente da guia de onda para o ressoador.

"Isso possibilita maior controle da interação optoacústica", explicou Thiago.

Até agora, a interação optomecânica dissipativa só havia sido demonstrada em baixas frequências mecânicas, impedindo aplicações como a transferência do estado quântico - o valor de cada qubit, por assim dizer - entre domínios fotônicos (ópticos) e fonônicos (mecânicos).

A equipe criou então o primeiro sistema optomecânico dissipativo operando em um regime no qual a frequência mecânica supera a taxa de dissipação óptica. "Conseguimos elevar em duas ordens de magnitude a frequência mecânica e aumentar em dez vezes a taxa de acoplamento optomecânico. Isso oferece perspectivas muito promissoras para o desenvolvimento de dispositivos ainda mais eficazes," destaca o pesquisador.

Os transdutores optomecânicos foram fabricados com a tecnologia tradicional da microeletrônica.
[Imagem: André G. Primo et al. - 10.1038/s41467-023-41127-7]

Redes quânticas

Os novos ressonadores optomecânicos foram fabricados empregando tecnologias bem estabelecidas na indústria microeletrônica de semicondutores.

Eles consistem em vigas nanométricas de silício deixadas suspensas e livres; ao vibrarem, elas confinam simultaneamente os fônons de suas vibrações mecânicas com os fótons da luz infravermelha. Ao lado das vigas, um guia de onda, posicionado para permitir o acoplamento da fibra óptica à cavidade, dá origem ao acoplamento dissipativo, o ingrediente fundamental para os resultados obtidos agora.

Este avanço abre novas possibilidades para a construção de redes quânticas. E, além desse horizonte imediato de aplicação, estabelece também uma base para futuras pesquisas fundamentais. "Nossa expectativa é conseguir manipular individualmente os modos mecânicos e mitigar não linearidades ópticas em dispositivos optomecânicos," concluiu Thiago.

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