Um dispositivo para classificar estados de fótons pode ser útil para circuitos de computadores ópticos quânticos

Para construir tecnologias quânticas baseadas em luz, cientistas e engenheiros precisam da habilidade de gerar e manipular fótons como indivíduos ou alguns de cada vez. Para construir tais portas lógicas fotônicas quânticas que podem ser usadas em um computador quântico óptico, é necessário um meio especial que permita interações fortes e controladas de apenas alguns fótons.

Uma maneira de fazer isso, embora difícil, é com um “átomo unidimensional”, um dispositivo que emite fótons com base na entrada de estados fotônicos específicos — fótons únicos, pares de fótons, tripletos de fótons, etc. Em suma, um peneirador de fótons.

Criar um átomo unidimensional — sua unidimensionalidade sendo a linha na qual um fóton entrante chega — não é fácil. Ele tem que interagir com o fóton entrante essencialmente 100% do tempo, ser livre de ruído e ser livre de decoerência, onde o átomo unidimensional é perturbado pelo fóton e pelo ambiente local do átomo.

Conjuntos de átomos foram usados, que juntos agem como um superátomo, ou um emissor em um guia de onda. Outra possibilidade é fornecida pela eletrodinâmica quântica de cavidade — um único emissor embutido em uma microcavidade. O emissor embutido pode ser átomos, íons, moléculas ou pontos quânticos que se comportam como átomos.

Uma equipe de pesquisa da Suíça e da Alemanha, liderada por Richard Warburton da Universidade de Basileia, construiu um portão de fótons usando um ponto quântico, com sua pesquisa sendo publicada na revista Cartas de revisão física.

Feitos de nanocristais semicondutores, os pontos quânticos são objetos de tamanho nanométrico cujas propriedades ópticas e eletrônicas são governadas pelas regras da mecânica quântica. Este ponto quântico em particular tinha 20 nanômetros de largura e estava embutido entre duas paredes refletoras de uma cavidade óptica, criando efetivamente um átomo unidimensional, e é posicionado em um dispositivo que permite que o comprimento da cavidade seja controlado e alterado.

Luz laser fraca composta de estados de fótons que são um único fóton ou múltiplos fótons entra na cavidade pelo topo e incide no ponto quântico. O ponto quântico a absorve se o ponto tiver uma diferença nos níveis de energia que corresponda à energia do fóton. Nesse caso, o ponto então emite um fóton dessa energia que é refletido de volta para o topo.

Mas se o estado do fóton de entrada do topo for composto de dois ou mais fótons, a interação desse estado com o ponto quântico é alterada e a polarização (direção do seu campo elétrico) do estado de saída muda. Com um filtro de polarização (“divisor de feixe”) colocado no topo do ponto, os fótons únicos emitidos refletidos passam em uma direção (porta 1) e os estados multifótons refletidos são refletidos em outra direção (porta 2).

O feixe de entrada é, portanto, separado em estados de fóton único e multifóton. Uma fonte que consiste em vários estados fotônicos diferentes resulta em um único feixe de fóton que pode ser usado para tecnologias quânticas, circuitos de computador ópticos ou para outras aplicações. O dispositivo atua como um espelho para fótons únicos.

Em seu experimento, o grupo descobriu que 99,2% do feixe de entrada havia sido dividido em estados multifótons, deixando fótons únicos puros, o que mostra a alta eficiência da interação ponto quântico-cavidade óptica. Medir a chamada função de correlação de segunda ordem — uma medida do agrupamento de fótons, que é uma medida de não linearidade — resultou em um valor de 587.

Os pesquisadores escrevem: “Até onde sabemos, este é o maior agrupamento de fótons devido a uma não linearidade observado até o momento”. O melhor valor anterior de outras configurações experimentais foi 20.

A configuração da cavidade permite que a luz transmitida seja ajustada e manipulada, movendo o ponto quântico em relação à cavidade óptica sem alterações externas na configuração. Isso altera o acoplamento entre o ponto e a cavidade; o forte agrupamento dos fótons transmitidos pode, na verdade, ser alterado para antiagrupamento.

“O ponto quântico se comporta radicalmente diferente dependendo do número de fótons”, eles escrevem. “Isso leva a um enorme agrupamento, pois apenas estados multifótons são transmitidos.”

Discriminar entre os números de fótons observados permite interações no nível de fóton único. Esses resultados podem levar à criação útil de estados ligados fotônicos, com dois ou mais fótons mantidos próximos. Os fótons geralmente não interagem entre si, uma propriedade útil para comunicações de fibra óptica. Mas interações entre fótons são desejadas para algumas aplicações, como processamento de informações clássicas e quânticas, mas um meio muito não linear é necessário, como o desenvolvido aqui.

Tais processos de fótons não lineares já são empregados em aplicações como conversões de frequência de fótons, amplificação de luz e detecção de luz. Outros estados exóticos de fótons gerados por este dispositivo podem ser úteis para entender muitos fenômenos corporais em um ambiente controlado.

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