Tecnologia Científica

Uma maneira inteiramente nova de preparar sistemas quânticos para desenvolver componentes para a tecnologia quântica
Na opinião dos especialistas, é altamente promissor usar sistemas quânticos para gerar estados de fóton único . Um exemplo bem conhecido de tal sistema quântico é um ponto quântico.
Por Universidade de Münster - 21/12/2021


Se dois lasers de cores diferentes são usados ​​para excitar um sistema quântico (mostrado esquematicamente à esquerda), ele pode ser excitado por meio de um processo de oscilação. Isso corresponde a um movimento em espiral no sistema quântico. Crédito: Universidade de Münster - AG Reiter

Após a "primeira revolução quântica" - o desenvolvimento de dispositivos como lasers e o relógio atômico - a "segunda revolução quântica" está atualmente em pleno andamento. Especialistas de todo o mundo estão desenvolvendo tecnologias fundamentalmente novas baseadas na física quântica. Uma aplicação chave é a comunicação quântica, onde as informações são escritas e enviadas à luz. Para muitas aplicações que fazem uso de efeitos quânticos, a luz deve estar em um determinado estado - ou seja, um único estado de fóton. Mas qual é a melhor maneira de gerar esses estados de fóton único? No PRX Quantum Journal, pesquisadores de Münster, Bayreuth e Berlin (Alemanha) já propuseram uma maneira inteiramente nova de preparar sistemas quânticos a fim de desenvolver componentes para a tecnologia quântica.

Na opinião dos especialistas, é altamente promissor usar sistemas quânticos para gerar estados de fóton único . Um exemplo bem conhecido de tal sistema quântico é um ponto quântico. Esta é uma estrutura semicondutora, com apenas alguns nanômetros de tamanho. Os pontos quânticos podem ser controlados usando pulsos de laser. Embora pontos quânticostêm propriedades semelhantes às dos átomos, eles estão embutidos em uma matriz de cristal, o que geralmente é mais prático para aplicações. "Os pontos quânticos são excelentes para gerar fótons únicos, e isso é algo que já estamos fazendo em nossos laboratórios quase todos os dias", disse o Dr. Tobias Heindel, que dirige um laboratório experimental para comunicação quântica na Universidade Técnica de Berlim. “Mas ainda há muito espaço para melhorias, principalmente na transferência dessa tecnologia do laboratório para aplicações reais”, acrescenta.

Uma dificuldade que deve ser superada é separar os fótons individuais gerados do pulso de laser excitante. Em seu trabalho, os pesquisadores propõem um método inteiramente novo de resolver esse problema. "A excitação explora um processo de oscilação no sistema quântico", explica Thomas Bracht, da Münster University, principal autor do estudo. "Para isso, usamos um ou mais pulsos de laser que têm frequências muito diferentes das do sistema. Isso torna a filtragem espectral muito fácil."

Os cientistas definem o "processo de oscilação" como um comportamento particular das partículas excitadas pela luz do laser no sistema quântico - os elétrons ou, para ser mais preciso, pares elétron-buraco (excitons). Aqui, a luz laser de dois lasers é usada, os quais emitem pulsos de luz quase simultaneamente. Como resultado da interação dos pulsos entre si, ocorre uma modulação rápida e, a cada ciclo de modulação, a partícula é sempre um pouco excitada, mas depois mergulha novamente em direção ao estado fundamental. Neste processo, entretanto, ele não cai de volta ao seu nível anterior, mas é excitado com mais força a cada balanço até atingir o estado máximo. A vantagem deste método é que o lasera luz não tem a mesma frequência que a luz emitida pelas partículas excitadas. Isso significa que os fótons gerados a partir do ponto quântico podem ser claramente atribuídos.
 
A equipe simulou esse processo no sistema quântico, fornecendo orientações para a implementação experimental. "Também explicamos a física do processo de swing-up, o que nos ajuda a obter uma melhor compreensão da dinâmica do sistema quântico", diz a professora associada Dra. Doris Reiter, que liderou o estudo.

Para poder usar os fótons na comunicação quântica , eles precisam possuir certas propriedades. Além disso, qualquer preparação do sistema quântico não deve ser influenciada negativamente por processos ambientais ou influências perturbadoras. Em pontos quânticos, especialmente a interação com o material semicondutor circundante é frequentemente um grande problema para esses esquemas de preparação. “Nossas simulações numéricas mostram que as propriedades dos fótons gerados após o processo de swing-up são comparáveis ​​aos resultados de métodos estabelecidos de geração de fótons únicos, que são menos práticos”, acrescenta o Prof. Martin Axt, que chefia a equipe de pesquisadores do Bayreuth.

O estudo constitui um trabalho teórico. Como resultado da colaboração entre grupos teóricos e experimentais, entretanto, a proposta está muito próxima das condições laboratoriais experimentais realistas, e os autores estão confiantes de que uma implementação experimental do esquema será possível em breve. Com seus resultados, os pesquisadores estão dando mais um passo em direção ao desenvolvimento das tecnologias quânticas de amanhã.

 

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