Comunicação usará emaranhamento de fótons com frequências distintas

Comunicação usará emaranhamento de fótons com frequências distintas

Alguns dos mais avançados sistemas de comunicação atualmente em desenvolvimento dependem das propriedades da ciência quântica para armazenar e transportar informações. No entanto, os pesquisadores que projetam sistemas de comunicação quântica que dependem de luz, em vez de corrente elétrica, para transmitir informações enfrentam um dilema: os componentes ópticos que armazenam e processam informações quânticas normalmente exigem fótons de luz visível (partículas de luz) para operar. No entanto, apenas os fótons próximos do infravermelho - com comprimentos de onda de cerca de 10 vezes mais longos - podem transportar essas informações por quilômetros de fibras ópticas.

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) desenvolveram uma nova maneira de resolver esse problema. Pela primeira vez, a equipe criou pares de correlações quânticas compostos de um fóton visível e outro de infravermelho próximo usando componentes ópticos baseados em chip que podem ser produzidos em massa. Esses pares de fótons combinam o melhor dos dois mundos: os parceiros de luz visível podem interagir com átomos, íons ou outros sistemas que servem como versões quânticas da memória do computador enquanto os membros do infravermelho próximo de cada casal estão livres para se propagar por longas distâncias. através da fibra óptica.

A conquista promete aumentar a capacidade dos circuitos baseados em luz para transmitir informações com segurança para locais distantes. Pesquisadores do NIST Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan e seus colegas da University of Maryland NanoCenter em College Park, demonstraram a correlação quântica, conhecida como emaranhamento, usando um par específico de fótons de luz visível e infravermelho próximo. No entanto, os métodos de projeto dos pesquisadores podem ser facilmente aplicados para criar muitos outros pares de luz visível / infravermelho próximo, adaptados para corresponder a sistemas de interesse específicos. 

Lu, Srinivasan e seus colegas descreveram recentemente seu trabalho na Nature Physics .

Uma das propriedades mais contra-intuitivas da mecânica quântica, o emaranhamento quântico ocorre quando dois ou mais fótons ou outras partículas são preparados de uma maneira que os torna tão intrinsecamente conectados que eles se comportam como uma unidade. Uma medida que determina o estado quântico de uma das partículas entrelaçadas determina automaticamente o estado da outra, mesmo que as duas partículas estejam em lados opostos do universo. O entrelaçamento está no cerne de muitos esquemas de informação quântica, incluindo computação quântica e criptografia.

Em muitas situações, os dois fótons que estão emaranhados têm comprimentos de onda ou cores semelhantes. Mas os pesquisadores do NIST deliberadamente se propuseram a criar pares ímpares - entrelaçamento entre fótons cujas cores são muito diferentes.

"Queríamos unir os fótons de luz visível, que são bons para armazenar informações em sistemas atômicos, e fótons de telecomunicações, que estão no infravermelho próximo e bons em percorrer as fibras ópticas com baixa perda de sinal", disse Srinivasan.

Para tornar os fótons adequados para interagir com a maioria dos sistemas de armazenamento de informações quânticas, a equipe também precisava que a luz atingisse um pico agudo em um determinado comprimento de onda, em vez de ter uma distribuição mais ampla e difusa.

Para criar os pares entrelaçados, a equipe construiu uma "cavidade ressonante" ótica especialmente adaptada - um ressonador de nitreto de silício de tamanho nano que orienta a luz em torno de uma pista pequena, semelhante à forma como as ondas sonoras viajam desimpedidas em torno de uma parede curva como a cúpula. na Catedral de São Paulo em Londres. Em tais estruturas curvas, conhecidas como galerias acústicas ressonantes, uma pessoa em pé perto de uma parte da parede ouve facilmente um som fraco que se origina em qualquer outra parte da parede.

Quando um comprimento de onda selecionado da luz do laser foi direcionado para o ressonador, pares emaranhados de fótons de luz visível e infravermelho próximo emergiram. (O tipo específico de emaranhamento empregado no experimento, conhecido como entrelaçamento tempo-energia, liga a energia dos pares de fótons com o tempo em que são gerados.)

"Descobrimos como projetar esses ressonadores para produzir um grande número de pares que queríamos, com muito pouco ruído de fundo", disse Lu. Os pesquisadores confirmaram que o emaranhamento persistiu mesmo após os fótons de telecomunicação percorrerem vários quilômetros de fibra óptica.

No futuro, combinando dois dos pares entrelaçados com duas memórias quânticas, o emaranhamento inerente aos pares de fótons pode ser transferido para as memórias quânticas. Essa técnica, conhecida como troca de emaranhamento, permite que as memórias sejam entrelaçadas umas com as outras por uma distância muito maior do que normalmente seria possível.

"Nossa contribuição foi descobrir como fazer uma fonte de luz quântica com as propriedades certas que poderiam permitir o entrelaçamento de longa distância", disse Srinivasan.

Artigo:

Xiyuan Lu, Qing Li, Daron A. Westly, Gregory Moille, Anshuman Singh, Vikas Anant, Kartik Srinivasan. Chip-integrated visible–telecom entangled photon pair source for quantum communication. Nature Physics, 2019; DOI: 10.1038/s41567-018-0394-3

Fonte:

www.sciencedaily.com