Ao contra¡rio da confusão de frequências produzidas pela luz que nos cerca na vida dia¡ria, cada frequência de luz em uma fonte de luz especializada conhecida como um pente de frequência de "soliton" oscila em una­ssono, gerando pulsos solita¡rios com sincronismo consistente.

Cada "dente" do pente tem uma cor de luz diferente , espaa§ada de maneira tão precisa que esse sistema éusado para medir todos os tipos de fena´menos e caracterí­sticas. Versaµes miniaturizadas desses pentes - chamados de microcombas - que estãoatualmente em desenvolvimento tem o potencial de aprimorar inaºmeras tecnologias, incluindo sistemas GPS, telecomunicações, vea­culos auta´nomos, rastreamento de gases de efeito estufa, autonomia de Espaçonaves e cronometragem ultraprecisa.

O laboratório da engenheira elanãtrica da Universidade de Stanford, Jelena Vučković, são recentemente se juntou a  comunidade de microcombas. "Muitos grupos demonstraram pentes de frequência no chip em uma variedade de materiais, incluindo recentemente em carboneto de sila­cio por nossa equipe. No entanto, atéagora, as propriedades a³pticas qua¢nticas dos pentes de frequência eram elusivas", disse Vučković, o professor de Jensen Huang de Liderana§a global na Escola de Engenharia e professor de engenharia elanãtrica em Stanford. "Quera­amos alavancar o background da a³ptica qua¢ntica de nosso grupo para estudar as propriedades qua¢nticas da microcomba soliton."

Enquanto microcombs soliton foram feitas em outros laboratórios, os pesquisadores de Stanford estãoentre os primeiros a investigar as propriedades a³pticas qua¢nticas do sistema, usando um processo que eles delinearam em um artigo publicado em 16 de dezembro na Nature Photonics. Quando criados em pares, acredita-se que os solitons dos microcombos exibam emaranhamento - uma relação entre aspartículas que permite que elas influenciem umas a s outras, mesmo a distâncias incra­veis, que sustenta nossa compreensão da física qua¢ntica e éa base de todas as tecnologias qua¢nticas propostas. A maior parte da luz "cla¡ssica" que encontramos diariamente não exibe emaranhamento.

"Esta éuma das primeiras demonstrações de que este pente de frequência miniaturizado pode gerar luz qua¢ntica interessante - luz não cla¡ssica - em um chip", disse Kiyoul Yang, um cientista pesquisador do Laborata³rio de Nanoscala e Fota´nica Qua¢ntica de Vučković e coautor do artigo . "Isso pode abrir um novo caminho para explorações mais amplas da luz qua¢ntica usando o pente de frequência e circuitos integrados fota´nicos para experimentos em grande escala."

Provando a utilidade de sua ferramenta, os pesquisadores também forneceram evidaªncias convincentes de emaranhamento qua¢ntico dentro da microcomba soliton, que foi teorizada e assumida, mas ainda não foi comprovada por quaisquer estudos existentes.

"Eu realmente gostaria de ver os solitons se tornando aºteis para a computação qua¢ntica porque éum sistema altamente estudado", disse Melissa Guidry, uma estudante de graduação no Laborata³rio de Fota´nica Qua¢ntica e Nanoescala e coautora do artigo. "Temos muita tecnologia neste momento para gerar solitons em chips de baixa potaªncia, então seria emocionante poder pegar isso e mostrar que háemaranhamento."

O ex-professor de física de Stanford Theodor W. Ha¤nsch ganhou o Praªmio Nobel em 2005 por seu trabalho no desenvolvimento do primeiro pente de frequência. Para criar o que Ha¤nsch estudou, são necessa¡rios equipamentos complicados do tamanho de uma mesa. Em vez disso, esses pesquisadores optaram por se concentrar na versão "micro" mais recente, onde todas as partes do sistema são integradas em um aºnico dispositivo e projetadas para caber em um microchip. Este projeto economiza custos, tamanho e energia.

Para criar seu pente em miniatura, os pesquisadores bombeiam luz laser atravanãs de um anel microsca³pico de carboneto de sila­cio (que foi cuidadosamente projetado e fabricado usando os recursos das Stanford Nano Shared Facilities e Stanford Nanofabrication Facilities). Percorrendo o anel, o laser aumenta a intensidade e, se tudo correr bem, nasce um soliton.

"a‰ fascinante que, em vez de ter esta ma¡quina complicada e sofisticada, vocêpode simplesmente pegar uma bomba de laser e um ca­rculo realmente minaºsculo e produzir o mesmo tipo de luz especializada", disse Daniil Lukin, um estudante graduado do Laborata³rio de Fota´nica Qua¢ntica e Nanoescala e coautor do artigo. Ele acrescentou que a geração da microcombina em um chip permitiu um amplo espaa§amento entre os dentes, o que foi um passo em direção a ser capaz de ver os detalhes mais finos do pente.

As próximas etapas envolveram equipamentos capazes de detectarpartículas únicas da luz e empacotar o micro-anel com vários solitons, criando um cristal de solitons. “Com o cristal de soliton , vocêpode ver que hápulsos menores de luz entre os dentes, que éo que medimos para inferir a estrutura de emaranhamento”, explicou Guidry. "Se vocêestacionar seus detectores la¡, podera¡ ter uma boa visão do interessante comportamento qua¢ntico sem abafa¡-lo com a luz coerente que compaµe os dentes."

Vendo que estavam realizando alguns dos primeiros estudos experimentais dos aspectos qua¢nticos desse sistema, os pesquisadores decidiram tentar confirmar um modelo tea³rico, denominado modelo linearizado, que écomumente usado como um atalho para descrever sistemas qua¢nticos complexos. Quando eles fizeram a comparação, eles ficaram surpresos ao descobrir que o experimento combinava muito bem com a teoria. Assim, embora eles ainda não tenham medido diretamente se seu microcombina possui emaranhamento qua¢ntico, eles mostraram que seu desempenho corresponde a uma teoria que implica em emaranhamento.

"A mensagem para levar para casa éque isso abre a porta para os teóricos fazerem mais teoria porque agora, com esse sistema, épossí­vel verificar experimentalmente esse trabalho", disse Lukin.

Microcombs em data centers podem aumentar a velocidade de transferaªncia de dados; em satanãlites, eles poderiam fornecer GPS mais preciso ou analisar a composição química de objetos distantes. A equipe de Vučković estãoparticularmente interessada no potencial de solitons em certos tipos de computação qua¢ntica, porque a previsão éque os solitons sejam altamente emaranhados assim que são gerados.

Com sua plataforma e a capacidade de estuda¡-la de uma perspectiva qua¢ntica, os pesquisadores do Nanoscale e do Quantum Photonics Lab estãomantendo a mente aberta sobre o que eles podem fazer a seguir. Quase no topo de sua lista de ideias estãoa possibilidade de realizar medições em seu sistema que provem definitivamente o emaranhamento qua¢ntico.