Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Stuttgart e da Universidade Julius-Maximilians de Würzburg, liderada pela Profª. Stefanie Barz (Universidade de Stuttgart), demonstrou uma fonte de fótons individuais que combina operação sob demanda com qualidade de fótons recorde na banda C de telecomunicações — um passo fundamental para a computação quântica fotônica escalável e a comunicação quântica. "A falta de uma fonte de fótons de alta qualidade e sob demanda na banda C tem sido um grande problema nos laboratórios de óptica quântica por mais de uma década — nossa nova tecnologia agora remove esse obstáculo", afirma a Profª. Stefanie Barz.

Na vida cotidiana, características distintivas podem ser desejáveis. Poucas pessoas querem ser exatamente iguais a todas as outras. Quando se trata de tecnologias quânticas, no entanto, a indistinguibilidade completa é o objetivo principal. Partículas quânticas, como os fótons, que são idênticas em todas as suas propriedades, podem interferir umas com as outras — assim como acontece em fones de ouvido com cancelamento de ruído, onde ondas sonoras que são cópias precisamente invertidas do ruído recebido cancelam o sinal de fundo.

Quando fótons idênticos são sincronizados, a probabilidade de certos resultados de medição ocorrerem pode ser aumentada ou diminuída. Esses efeitos quânticos dão origem a novos e poderosos fenômenos que estão no cerne de tecnologias emergentes, como a computação quântica e as redes quânticas. Para que essas tecnologias se tornem viáveis, a interferência de alta qualidade entre os fótons é essencial.

Agora, Nico Hauser, cientista da Universidade de Stuttgart e primeiro autor da publicação, e seus colegas relatam uma fonte de fótons altamente indistinguíveis que é excepcionalmente adequada para aplicações práticas: ela produz os fótons sob demanda e opera em um comprimento de onda compatível com a infraestrutura de telecomunicações existente.

Para que as tecnologias quânticas fotônicas sejam escaláveis, elas precisam se integrar à infraestrutura de fibra óptica que fornece a espinha dorsal da nossa sociedade ávida por informação. Na prática, isso significa que as fontes de fótons devem operar na banda C de telecomunicações, em torno de um comprimento de onda de 1550 nm, onde as perdas ópticas em fibras de sílica são mínimas.

Essa exigência sempre representou um desafio: embora as fontes de fótons baseadas nos chamados pontos quânticos — nanoestruturas que funcionam como átomos artificiais — tenham alcançado propriedades de fótons quase ideais para emissão em comprimentos de onda mais curtos (780–960 nm), estender esses resultados para o regime de telecomunicações provou ser difícil.

A alternativa mais prática, conhecida como conversão paramétrica descendente espontânea (SPDC), produz fótons de alta qualidade, mas de forma probabilística. Ou seja, não é possível prever exatamente quando um fóton desejado será produzido. Isso impossibilita a sincronização de múltiplos fótons de diferentes fontes para protocolos que necessitam deles simultaneamente.

Em contraste, as chamadas fontes determinísticas produzem um fóton sempre que são acionadas. Dispositivos de pontos quânticos existem para fótons da banda C; no entanto, eles atingem visibilidades de interferência de dois fótons — uma medida de indistinguibilidade — de cerca de 72%, na melhor das hipóteses. Isso está bem abaixo do que as fontes SPDC oferecem rotineiramente e é insuficiente para protocolos quânticos exigentes. "Nosso novo dispositivo agora supera esse obstáculo", diz Stefanie Barz.

A nova fonte de fótons desenvolvida por Hauser e sua equipe consiste em pontos quânticos de arseneto de índio incorporados em arseneto de índio, alumínio e gálio, integrados a um ressonador de grade de Bragg circular, o que aumenta a emissão de fótons.

A equipe comparou sistematicamente diferentes esquemas para desencadear a emissão e descobriu que aproveitar as excitações mediadas por vibrações elementares na rede cristalina — em vez de bombear os pontos quânticos com luz de alta energia — produziu os melhores resultados. Nesse modo, eles alcançaram uma visibilidade de interferência de dois fótons de quase 92%, a mais alta relatada para qualquer fonte determinística de um único fóton na banda C de telecomunicações.

Esses avanços colocam as fontes de pontos quânticos determinísticas no mesmo regime de desempenho das fontes SPDC probabilísticas — com a vantagem crucial da geração de fótons sob demanda. "Nossa capacidade de alcançar simultaneamente a geração determinística de fótons individuais, a emissão na banda C de telecomunicações e a alta indistinguibilidade de fótons agora permitirá aplicações que exigem um grande número de fótons sincronizados, desde computação quântica baseada em medições até repetidores quânticos para comunicação de longa distância", afirma Hauser.

O artigo foi publicado na Nature Communications .