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Encaminhar sinais e isolá-los contra ruído e retrorreflexões são essenciais em muitas situações práticas na comunicação clássica, bem como no processamento quântico. Em uma colaboração teórico-experimental, uma equipe liderada por Andreas Nunnenkamp, da Universidade de Viena, e Ewold Verhagen, do instituto de pesquisa AMOLF em Amsterdã, conseguiu o transporte unidirecional de sinais em pares de “ruas de mão única”. Esta pesquisa publicada em física da natureza abre novas possibilidades para dispositivos de sinalização mais flexíveis.
Dispositivos que permitem encaminhar sinais, por exemplo, transportados por ondas luminosas ou sonoras, são essenciais em muitas situações práticas. Este é, por exemplo, o caso do processamento de informações quânticas, em que os estados do computador quântico precisam ser amplificados para serem lidos – sem que o ruído do processo de amplificação os corrompa. É por isso que os dispositivos que permitem que os sinais viajem em um canal unidirecional, por exemplo, isoladores ou circuladores, são muito procurados. No entanto, atualmente, esses dispositivos apresentam perdas, são volumosos e requerem grandes campos magnéticos que quebram a simetria de reversão do tempo para obter um comportamento unidirecional. Essas limitações levaram a grandes esforços para encontrar alternativas que ocupem menos espaço e que não dependam de campos magnéticos.
O novo estudo publicado na física da natureza introduz uma nova classe de sistemas caracterizados por um fenômeno que os autores chamam de “não reciprocidade de quadratura”. A não reciprocidade de quadratura explora a interferência entre dois processos físicos distintos. Cada um dos processos produz uma onda que contribui para o sinal transmitido. Como as ondas de água produzidas por duas pedras arremessadas, as duas ondas podem se anular ou se amplificar, em um fenômeno conhecido como interferência.
Isso permite a transmissão unidirecional de sinais sem quebra de reversão de tempo e leva a uma dependência distinta da fase, ou seja, a quadratura, do sinal. “Nesses aparelhos, a transmissão depende não só da direção do sinal, mas também da quadratura do sinal”, diz Clara Wanjura, principal autora teórica do estudo. “Isso cria uma ‘via dupla’ para sinais: uma quadratura é transmitida em uma direção e a outra quadratura na direção oposta. A simetria de reversão do tempo então impõe que as quadraturas sempre viajem em pares ao longo de direções opostas em duas pistas separadas.”
A equipe experimental da AMOLF demonstrou esse fenômeno experimentalmente em um sistema nanomecânico onde as interações entre as vibrações mecânicas de pequenas cordas de silício são orquestradas pela luz do laser. A luz do laser exerce forças nas cordas, mediando assim as interações entre seus diferentes ‘tons’ de vibração. Jesse Slim, o principal autor experimental do estudo, diz: “Desenvolvemos uma caixa de ferramentas experimental versátil que nos permitiu controlar os dois tipos diferentes de interações necessárias para implementar a não reciprocidade em quadratura. Dessa forma, poderíamos revelar o transporte unidirecional resultante do sinais experimentalmente.”
O trabalho abre novas possibilidades para roteamento de sinal e amplificação quântica limitada, com aplicações potenciais no processamento e detecção de informações quânticas.
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