Emissores de fótons de pontos quânticos violam a desigualdade de Bell em novo estudo

Um novo estudo em Física da Natureza demonstra um novo método para gerar emaranhamento quântico usando um ponto quântico, que viola a desigualdade de Bell. Este método usa níveis de potência ultrabaixos e pode abrir caminho para tecnologias quânticas escaláveis ​​e eficientes.

O entrelaçamento quântico é um requisito para tecnologias de computação quântica. Nesse fenômeno, qubits (bits quânticos) — os blocos de construção dos computadores quânticos — tornam-se correlacionados independentemente de sua distância física.

Isso significa que se a propriedade de um qubit for medida, ela impacta o outro. O emaranhamento quântico é verificado pela desigualdade de Bell, um teorema que testa a validade da mecânica quântica medindo qubits emaranhados.

Phys.org falou com o primeiro autor do estudo, Dr. Shikai Liu, do Niels Bohr Institute da Universidade de Copenhagen, na Dinamarca. O interesse do Dr. Liu em pontos quânticos surgiu de seu trabalho anterior com fontes tradicionais de emaranhamento.

Ele disse ao Phys.org: “Durante meu Ph.D., trabalhei na geração de fontes de luz emaranhadas usando conversão descendente paramétrica espontânea (SPDC). No entanto, a fraca não linearidade intrínseca dos cristais em massa tornou difícil utilizar totalmente os fótons de bombeamento. A não linearidade gigante no nível de fóton único dos pontos quânticos chamou minha atenção e me levou a esta pesquisa.”

A desigualdade de Bell

Como mencionado anteriormente, o cerne desta pesquisa é a desigualdade de Bell. Proposta pelo físico John Stewart Bell em 1964, esta expressão matemática ajuda a distinguir entre comportamento clássico e quântico.

No mundo quântico, as partículas podem exibir correlações que são mais fortes do que o que é possível no mundo clássico. A desigualdade de Bell fornece um limite: se as correlações excedem esse limite, a natureza das correlações é quântica, implicando emaranhamento quântico.

Dr. Liu elaborou, “A desigualdade de Bell distingue entre correlações clássicas e quânticas. Qualquer teoria realista local deve satisfazer a condição: Todas as correlações medidas entre partículas devem ser menores ou iguais a dois.”

Os pesquisadores usaram isso para estabelecer a validade de seu experimento e se a configuração que eles construíram produziu emaranhamento quântico. A configuração em si foi baseada em pontos quânticos e guias de onda.

Átomos artificiais em um chip

Pontos quânticos são estruturas em nanoescala que se comportam como átomos artificiais. Essencialmente, são chips semicondutores projetados para capturar elétrons dentro de sua estrutura.

Ao prender elétrons em um pequeno espaço, os elétrons exibem estados de energia quantizados como quando estão confinados em átomos. É por isso que se diz que os pontos quânticos se comportam como átomos artificiais.

Esses pontos quânticos agem como sistemas de dois níveis, semelhantes aos átomos naturais, mas com a vantagem de serem integrados a um chip. Além disso, os níveis de energia podem ser ajustados, determinados pelo tamanho e composição do ponto quântico.

Sistemas de pontos quânticos podem atuar como sistemas emissores, o que significa que podem emitir fótons únicos com alta eficiência. Sob certas condições, os fótons emitidos podem ficar emaranhados.

Acoplamento com guia de ondas

Para aumentar a eficiência, a coerência e a estabilidade dos fótons emitidos pelo ponto quântico, os pesquisadores o acoplaram a um guia de ondas de cristal fotônico.

Esses materiais têm uma estrutura periódica de materiais de índice de refração alto e baixo alternados. Isso permite que a luz seja guiada por uma estrutura semelhante a um tubo, que é tão fina quanto um fio de cabelo humano.

Os guias de onda, portanto, permitem o controle e a manipulação da propagação da luz em termos de direção e comprimento de onda, melhorando assim as interações entre luz e matéria.

Entretanto, alcançar um acoplamento eficiente entre o guia de ondas e o ponto quântico apresenta desafios significativos.

“Para melhorar a interação luz-matéria, fabricamos um guia de ondas de cristal fotônico que fornece forte confinamento para o ponto quântico”, explicou o Dr. Liu. “Isso levou não apenas a uma alta eficiência de acoplamento da luz emitida no guia de ondas (maior que 90%), mas também a um aprimoramento de Purcell de 16 ao desacelerar a luz na nanoestrutura e aumentar seu tempo de interação com o ponto quântico.”

O aprimoramento de Purcell se refere ao fenômeno em que a taxa de emissão espontânea de um emissor quântico (como um ponto quântico) é aumentada quando colocado em uma cavidade óptica ressonante ou próximo a um ambiente fotônico estruturado.

Em termos mais simples, o aprimoramento de Purcell aumenta a emissão de luz de emissores quânticos ao colocá-los em ambientes que amplificam sua interação com a luz. Isso funciona alterando quantas maneiras diferentes a luz pode ser emitida na área ao redor do emissor.

Violação da desigualdade de Bell

A equipe também teve que lidar com a rápida defasagem (perda rápida de coerência) induzida por vibrações térmicas na rede cristalina. Essas vibrações interrompem os estados quânticos estáveis ​​das partículas, tornando mais difícil manter e medir suas propriedades quânticas com precisão.

A solução deles foi resfriar o chip a uma temperatura fria de -269°C para minimizar interações indesejadas entre o ponto quântico e os fônons no material semicondutor.

Uma vez que seu sistema emissor de dois níveis estava pronto para produzir os fótons emaranhados, os pesquisadores usaram dois interferômetros Mach-Zehnder desbalanceados para executar o teste de desigualdade de Bell CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt). O CHSH é uma forma da desigualdade de Bell.

Ao configurar cuidadosamente as fases do interferômetro, os pesquisadores mediram a interferência de Franson entre os fótons emitidos. A interferência de Franson é um tipo de padrão de interferência observado em experimentos de óptica quântica envolvendo fótons emaranhados.

“O parâmetro S observado de 2,67 ± 0,16 em nossas medições está significativamente acima do limite de localidade de 2. Este resultado confirmou a violação da desigualdade de Bell, validando assim o estado emaranhado de energia-tempo gerado por meio do nosso método”, disse o Dr. Liu.

Essa violação é crucial, pois confirma a natureza quântica das correlações entre os fótons.

Eficiência energética e trabalho futuro

Uma das características de destaque da configuração do emissor de dois níveis é sua eficiência energética.

O emaranhamento foi gerado em potências de bombeamento tão baixas quanto 7,2 picowatts, aproximadamente 1.000 vezes menos do que fontes tradicionais de fóton único. Essa operação de potência ultrabaixa, combinada com a integração no chip, torna o método altamente promissor para tecnologias quânticas práticas.

O Dr. Liu prevê várias direções interessantes para pesquisas futuras. “Uma via é explorar estados quânticos fotônicos complexos e interações de muitos corpos por meio de espalhamento inelástico de vários emissores de dois níveis”, ele sugeriu. “Além disso, a integração adicional do nosso método em circuitos fotônicos compatíveis facilitará mais funcionalidades com uma pegada pequena, aprimorando aplicações quânticas fotônicas versáteis envolvendo computação, comunicação e detecção.”

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