A fotônica de silício ilumina o caminho para aplicações em larga escala em informação quântica

Em um salto significativo para a tecnologia quântica, pesquisadores atingiram um marco no aproveitamento da dimensão de frequência dentro da fotônica integrada. Esse avanço não só promete avanços na computação quântica, mas também estabelece as bases para redes de comunicação ultrasseguras.

A fotônica integrada, a manipulação de luz dentro de pequenos circuitos em chips de silício, há muito tempo é promissora para aplicações quânticas devido à sua escalabilidade e compatibilidade com a infraestrutura de telecomunicações existente.

Em um estudo publicado em Fotônica Avançadapesquisadores do Centro de Nanociências e Nanotecnologia (C2N), Télécom Paris e STMicroelectronics (STM) superaram limitações anteriores ao desenvolver ressonadores de anel de silício com uma pegada menor que 0,05 mm² capaz de gerar mais de 70 canais de frequência distintos espaçados de 21 GHz.

Isso permite a paralelização e o controle independente de 34 portas de qubit simples usando apenas três dispositivos eletro-ópticos padrão. O dispositivo pode gerar eficientemente pares de fótons emaranhados em bin de frequência que são facilmente manipuláveis ​​— componentes críticos na construção de redes quânticas.

A principal inovação está na capacidade de explorar essas estreitas separações de frequência para criar e controlar estados quânticos. Usando ressonadores de anel integrados, eles geraram com sucesso estados emaranhados de frequência por meio de um processo conhecido como mistura espontânea de quatro ondas. Essa técnica permite que os fótons interajam e se emaranhem, uma capacidade crucial para a construção de circuitos quânticos.

O que diferencia essa pesquisa é sua praticidade e escalabilidade. Ao alavancar o controle preciso oferecido por seus ressonadores de silício, os pesquisadores demonstraram a operação simultânea de 34 portas de qubit único usando apenas três dispositivos eletro-ópticos prontos para uso. Essa inovação permite a criação de redes quânticas complexas onde múltiplos qubits podem ser manipulados de forma independente e em paralelo.

Para validar sua abordagem, a equipe realizou experimentos no C2N, mostrando tomografia de estado quântico em 17 pares de qubits emaranhados ao máximo em diferentes intervalos de frequência. Essa caracterização detalhada confirmou a fidelidade e a coerência de seus estados quânticos, marcando um passo significativo em direção à computação quântica prática.

Talvez o mais notável seja que os pesquisadores atingiram um marco em redes ao estabelecer o que eles acreditam ser a primeira rede quântica de cinco usuários totalmente conectada no domínio de frequência. Essa conquista abre novos caminhos para protocolos de comunicação quântica, que dependem da transmissão segura de informações codificadas em estados quânticos.

Olhando para o futuro, esta pesquisa não apenas mostra o poder da fotônica de silício no avanço das tecnologias quânticas, mas também abre caminho para futuras aplicações em computação quântica e comunicações seguras. Com avanços contínuos, essas plataformas fotônicas integradas podem revolucionar indústrias dependentes de transmissão segura de dados, oferecendo níveis sem precedentes de poder computacional e segurança de dados.

O autor correspondente Dr. Antoine Henry da C2N e Télécom Paris comenta: “Nosso trabalho destaca como o frequency-bin pode ser alavancado para aplicações de larga escala em informação quântica. Acreditamos que ele oferece perspectivas para arquiteturas de domínio de frequência escaláveis ​​para comunicações quânticas de alta dimensão e eficiência de recursos.”

Henry observa que fótons únicos em comprimentos de onda de telecomunicações são ideais para aplicações do mundo real. Aproveitar redes de fibra óptica existentes com fotônica integrada permite o potencial de miniaturização, estabilidade e escalabilidade para maior complexidade de dispositivos e, portanto, geração eficiente e personalizada de pares de fótons para implementar redes quânticas com codificação de frequência em comprimento de onda de telecomunicações.

As implicações desta pesquisa são vastas. Ao aproveitar a dimensão de frequência na fotônica integrada, os pesquisadores desbloquearam vantagens importantes, incluindo escalabilidade, resiliência a ruído, paralelismo e compatibilidade com técnicas de multiplexação de telecomunicações existentes. À medida que o mundo se aproxima da realização de todo o potencial das tecnologias quânticas, este marco relatado pelos pesquisadores da C2N, Telecom Paris e STM serve como um farol, guiando o caminho para um futuro em que as redes quânticas oferecem comunicação segura.