Pesquisadores descobriram uma maneira de "traduzir" informações quânticas entre diferentes tipos de tecnologias quânticas, com implicações significativas para computação quântica, comunicação e rede.

A pesquisa foi publicada na revista Nature na quarta-feira. Ele representa uma nova maneira de converter informações quânticas do formato usado pelos computadores quânticos para o formato necessário para a comunicação quântica.

Os fótons – partículas de luz – são essenciais para as tecnologias de informação quântica , mas diferentes tecnologias os utilizam em diferentes frequências. Por exemplo, algumas das tecnologias de computação quântica mais comuns são baseadas em qubits supercondutores , como os usados ??pelos gigantes da tecnologia Google e IBM; esses qubits armazenam informações quânticas em fótons que se movem em frequências de micro-ondas.

Mas se você deseja construir uma rede quântica ou conectar computadores quânticos, não pode enviar fótons de micro-ondas porque o controle deles sobre as informações quânticas é muito fraco para sobreviver à viagem.

"Muitas das tecnologias que usamos para comunicação clássica - telefones celulares, Wi-Fi, GPS e coisas assim - usam frequências de luz de micro-ondas", disse Aishwarya Kumar, pós-doutorando no Instituto James Franck da Universidade de Chicago e autor principal do artigo. "Mas você não pode fazer isso para comunicação quântica porque a informação quântica que você precisa está em um único fóton . E nas frequências de microondas, essa informação será enterrada no ruído térmico."

A solução é transferir a informação quântica para um fóton de frequência mais alta, chamado fóton óptico, que é muito mais resistente ao ruído ambiente. Mas a informação não pode ser transferida diretamente de fóton para fóton; em vez disso, precisamos de matéria intermediária. Alguns experimentos projetam dispositivos de estado sólido para esse fim, mas o experimento de Kumar visa algo mais fundamental: átomos.

Os elétrons nos átomos só podem ter certas quantidades específicas de energia, chamadas níveis de energia. Se um elétron estiver em um nível de energia mais baixo, ele pode ser excitado para um nível de energia mais alto ao ser atingido por um fóton cuja energia corresponda exatamente à diferença entre o nível mais alto e o mais baixo. Da mesma forma, quando um elétron é forçado a cair para um nível de energia mais baixo, o átomo emite um fóton com uma energia que corresponde à diferença de energia entre os níveis.

Um diagrama dos níveis de energia de elétrons de rubídio. Duas das lacunas de nível de energia correspondem às frequências de fótons ópticos e fótons de micro-ondas, respectivamente. Lasers são usados ??para forçar o elétron a pular para níveis mais altos ou cair para níveis mais baixos. Crédito: Aishwarya Kumar

Os átomos de rubídio têm duas lacunas em seus níveis que a tecnologia de Kumar explora: uma que é exatamente igual à energia de um fóton de micro-ondas e outra que é exatamente igual à energia de um fóton óptico. Usando lasers para deslocar as energias dos elétrons do átomo para cima e para baixo, a tecnologia permite que o átomo absorva um fóton de micro-ondas com informação quântica e então emita um fóton óptico com essa informação quântica. Essa tradução entre diferentes modos de informação quântica é chamada de "transdução".

O uso eficaz de átomos para esse propósito é possível graças ao progresso significativo que os cientistas fizeram na manipulação de objetos tão pequenos. "Nós, como comunidade, construímos uma tecnologia notável nos últimos 20 ou 30 anos que nos permite controlar essencialmente tudo sobre os átomos", disse Kumar. "Portanto, o experimento é muito controlado e eficiente."

Ele diz que o outro segredo de seu sucesso é o progresso do campo na eletrodinâmica quântica de cavidade , onde um fóton é preso em uma câmara reflexiva supercondutora. Forçando o fóton a saltar em um espaço fechado, a cavidade supercondutora fortalece a interação entre o fóton e qualquer matéria que seja colocada dentro dele.

A câmara deles não parece muito fechada - na verdade, ela se parece mais com um bloco de queijo suíço. Mas o que parecem buracos são, na verdade, túneis que se cruzam em uma geometria muito específica, de modo que fótons ou átomos podem ficar presos em uma interseção. É um design inteligente que também permite que os pesquisadores acessem a câmara para que possam injetar os átomos e os fótons.

A tecnologia funciona nos dois sentidos: pode transferir informações quânticas de fótons de micro-ondas para fótons ópticos e vice-versa. Portanto, pode estar em qualquer lado de uma conexão de longa distância entre dois computadores quânticos supercondutores e servir como um bloco de construção fundamental para uma internet quântica.

Mas Kumar acredita que pode haver muito mais aplicações para essa tecnologia do que apenas redes quânticas. Sua capacidade principal é emaranhar fortemente átomos e fótons – uma tarefa essencial e difícil em muitas tecnologias quânticas diferentes em todo o campo.

“Uma das coisas que nos deixa realmente empolgados é a capacidade dessa plataforma de gerar emaranhamento realmente eficiente”, disse ele. "O emaranhamento é fundamental para quase tudo o que nos preocupa, desde computação até simulações, metrologia e relógios atômicos. Estou animado para ver o que mais podemos fazer."