Uma equipe internacional de pesquisadores da Leibniz University Hannover (Alemanha), da University of Twente (Holanda) e da start-up QuiX Quantum apresentou uma fonte de luz quântica emaranhada totalmente integrada pela primeira vez em um chip. Os resultados do estudo foram publicados na revista Nature Photonics .

"Nossa descoberta nos permitiu reduzir o tamanho da fonte em um fator de mais de 1.000, permitindo reprodutibilidade, estabilidade por um longo período de tempo, dimensionamento e, potencialmente, produção em massa. Todas essas características são necessárias para aplicativos do mundo real, como processadores quânticos , " diz o Prof. Dr. Michael Kues, chefe do Institute of Photonics e membro do conselho do Cluster of Excellence PhoenixD na Leibniz University Hannover.

Bits quânticos ( qubits ) são os blocos básicos de construção dos computadores quânticos e da internet quântica. Fontes de luz quântica geram quanta de luz (fótons) que podem ser usados ??como bits quânticos . A fotônica no chip tornou-se uma plataforma líder para o processamento de estados quânticos ópticos, pois é compacta, robusta e permite acomodar e organizar muitos elementos em um único chip . Aqui, a luz é direcionada no chip através de estruturas extremamente compactas, que são usadas para construir sistemas de computação quântica fotônica. Estes já estão acessíveis hoje através da nuvem. Implementados de forma escalonável, eles poderiam resolver tarefas que são inacessíveis aos computadores convencionais devido às suas capacidades de computação limitadas. Essa superioridade é conhecida como vantagem quântica.

"Até agora, as fontes de luz quântica exigiam sistemas de laser externos, fora do chip e volumosos, o que limitava seu uso em campo. No entanto, superamos esses desafios por meio de um novo design de chip e explorando diferentes plataformas integradas", disse Hatam Mahmudlu, um doutorado aluno da equipe de Kues. Seu novo desenvolvimento, uma fonte de luz quântica fotônica integrada a laser, excitada eletricamente, se encaixa inteiramente em um chip e pode emitir estados qubit emaranhados de frequência.

"Qubits são muito suscetíveis a ruídos . O chip deve ser acionado pelo campo do laser, completamente livre de ruídos, exigindo um filtro no chip. Anteriormente, era um grande desafio integrar laser, filtro e uma cavidade no mesmo chip já que não havia nenhum material único que fosse eficiente para construir esses diferentes componentes", diz o Dr. Raktim Haldar, um Humboldt fellow do grupo de Kues.

A chave foi a "tecnologia híbrida" que combina o laser feito de fosfeto de índio , um filtro e uma cavidade feita de nitreto de silício e os reúne em um único chip. No chip, em um processo não linear espontâneo, dois fótons são criados a partir de um campo de laser. Cada fóton abrange uma gama de cores simultaneamente, o que é chamado de "superposição", e as cores de ambos os fótons são correlacionadas, ou seja, os fótons estão emaranhados e podem armazenar informações quânticas. “Alcançamos eficiências notáveis ??e qualidades de estado necessárias para aplicação em computadores quânticos ou na internet quântica”, diz Kues.

"Agora podemos integrar o laser com outros componentes em um chip para que toda a fonte quântica seja menor do que uma moeda de um euro. Nosso pequeno dispositivo pode ser considerado um passo em direção à vantagem quântica em um chip com fótons. Ao contrário do Google, que atualmente usa qubits superfrios em sistemas criogênicos, a vantagem quântica pode ser alcançada com esses sistemas fotônicos em um chip, mesmo à temperatura ambiente", diz Haldar.

Os cientistas também esperam que sua descoberta ajude a reduzir os custos de produção de aplicativos. “Podemos imaginar que nossa fonte de luz quântica logo será um componente fundamental de processadores quânticos fotônicos programáveis”, diz Kues.

O Prof. Dr. Michael Kues é chefe do Instituto de Fotônica e membro do conselho do Grupo de Excelência PhoenixD: Fotônica, Óptica e Engenharia — Inovação em Disciplinas na Leibniz University Hannover, Alemanha.