O Prêmio Nobel de Física deste ano celebrou o interesse fundamental do emaranhamento quântico e também previu as possíveis aplicações na "segunda revolução quântica" - uma nova era em que somos capazes de manipular a estranheza da mecânica quântica, incluindo superposição e emaranhamento quânticos. Uma rede quântica em grande escala e totalmente funcional é o santo graal das ciências da informação quântica. Ele abrirá uma nova fronteira da física, com novas possibilidades para computação quântica, comunicação e metrologia.

Um dos desafios mais significativos é estender a distância da comunicação quântica a uma escala praticamente útil. Ao contrário dos sinais clássicos que podem ser amplificados silenciosamente, os estados quânticos em superposição não podem ser amplificados porque não podem ser perfeitamente clonados. Portanto, uma rede quântica de alto desempenho requer não apenas canais quânticos de perda ultrabaixa e memória quântica, mas também fontes de luz quântica de alto desempenho. Houve um progresso recente empolgante nas comunicações quânticas baseadas em satélites e nos repetidores quânticos, mas a falta de fontes adequadas de fótons únicos dificultou novos avanços.

O que é necessário de uma fonte de fóton único para aplicações de rede quântica? Primeiro, ele deve emitir um (apenas um) fóton por vez. Em segundo lugar, para atingir o brilho, as fontes de fóton único devem ter alta eficiência de sistema e alta taxa de repetição. Em terceiro lugar, para aplicações como no teletransporte quântico que requerem interferência com fótons independentes, os fótons individuais devem ser indistinguíveis. Os requisitos adicionais incluem uma plataforma escalável, largura de linha sintonizável e de banda estreita (favorável para sincronização temporal) e interconectividade com qubits de matéria.

Uma fonte promissora são os pontos quânticos (QDs), partículas semicondutoras de apenas alguns nanômetros. No entanto, nas últimas duas décadas, a visibilidade da interferência quântica entre QDs independentes raramente excedeu o limite clássico de 50% e as distâncias foram limitadas a alguns metros ou quilômetros.

Conforme relatado em Advanced Photonics , uma equipe internacional de pesquisadores alcançou interferência quântica de alta visibilidade entre dois QDs independentes ligados a aproximadamente 300 km de fibras ópticas. Eles relatam fontes de fóton único eficientes e indistinguíveis com ultrabaixo ruído, conversão de frequência de fóton único ajustável e transmissão de fibra longa de baixa dispersão.

Os fótons únicos são gerados a partir de QDs únicos acionados por ressonância acoplados de forma determinística a microcavidades. Conversões de frequência quântica são usadas para eliminar a heterogeneidade QD e mudar o comprimento de onda de emissão para a banda de telecomunicações. A visibilidade de interferência observada é de até 93%. De acordo com o autor sênior Chao-Yang Lu, professor da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC), "melhorias viáveis ??podem estender ainda mais a distância para ~ 600 km".

Lu observa: “Nosso trabalho saltou dos experimentos quânticos anteriores baseados em QD em uma escala de ~ 1 km a 300 km, duas ordens de magnitude maior e, portanto, abre uma perspectiva empolgante de redes quânticas de estado sólido”. Com esse salto relatado, o surgimento das redes quânticas de estado sólido pode começar em breve.