Os fótons são a base para muitas tecnologias quânticas de próxima geração, incluindo comunicações quânticas seguras e computadores quânticos potencialmente revolucionários.
Por Emily Ayshford, Universidade de Chicago publicado por Phys.
As partículas de luz podem ser emaranhadas ou colocadas em uma superposição – dois estados quânticos que permitem tecnologias quânticas.
Mas, para criar esses estados, os pesquisadores precisam trabalhar com tipos de luz extremamente não clássicos que têm um pequeno número de fótons, ou mesmo apenas um fóton. Essa pode ser uma tarefa difícil, exigindo uma configuração complicada, já que fontes típicas de luz (como um laser) geram estados onde sempre existe a possibilidade de ter um grande número de fótons.
Teóricos da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago desenvolveram um novo esquema para capturar fótons individuais em uma cavidade. Seu mecanismo permite que duas fontes emitam o número selecionado de fótons em uma cavidade antes que a interferência destrutiva cancele ambas as fontes, essencialmente criando uma “parede” que impede a entrada de mais fótons.
Este novo mecanismo pode fornecer uma maneira mais simples de criar luz quântica sem usar os materiais e sistemas complicados que geralmente são necessários.
A pesquisa, liderada pelo Prof. Aashish Clerk com os alunos de graduação Andrew Lingenfelter e David Roberts, foi publicada em 26 de novembro na Science Advances .
Criando uma ‘parede’ de interferência
Os sistemas típicos de captura de fótons únicos em uma cavidade envolvem o uso de materiais que têm uma não linearidade óptica extremamente grande, o que força os fótons na cavidade a interagirem uns com os outros fortemente. Em tais sistemas, a frequência de ressonância da cavidade pode ser fortemente alterada pela adição de apenas um fóton. Se alguém então iluminar a cavidade com um laser, um fóton pode entrar, mas não um segundo (por causa da mudança de frequência produzida pelo primeiro fóton).
O problema com esse mecanismo é que ele requer não linearidades óticas extremamente grandes e dissipação muito baixa, uma combinação que é extremamente difícil, senão impossível, de se obter na maioria das plataformas.
O sistema proposto pela equipe de pesquisa de Clerk usa duas fontes diferentes para emitir fótons simultaneamente em uma cavidade que tem uma não linearidade extremamente fraca (muito fraca para as abordagens convencionais funcionarem). Com um ajuste cuidadoso, essas fontes então se cancelam com interferência destrutiva – criando uma “parede” que bloqueia os fótons – uma vez que o número selecionado de fótons é capturado na cavidade.
As aplicações potenciais são amplas. Usar interferência destrutiva dessa forma significa que o sistema não precisa usar materiais opticamente não lineares especiais, o que abre a porta para várias plataformas diferentes, inclusive como uma ferramenta para simulação quântica.
O mecanismo básico também pode ser aplicado a todos os tipos de radiação eletromagnética, não apenas à luz visível. Uma possibilidade empolgante é usá-lo para gerar e controlar fótons de frequência de micro-ondas em um circuito supercondutor. Isso pode permitir novas maneiras de armazenar e processar informações quânticas. O grupo de Clerk está atualmente trabalhando com experimentalistas para implementar este esquema para fazer exatamente isso.
Ele e seus colaboradores estão até examinando o sistema como uma forma potencial de emaranhar fótons, onde a observação de um fóton fornece automaticamente informações sobre o fóton com o qual está emaranhado, não importa a distância entre eles.
“Achamos que esse esquema poderia funcionar em muitos sistemas diferentes”, disse Clerk. “Se você não precisa de materiais especiais, ele realmente expande o potencial das tecnologias quânticas baseadas na luz.”
Mais informações: Andrew Lingenfelter et al, geração de estado Fock incondicional usando não linearidades fotônicas arbitrariamente fracas, Science Advances (2021). DOI: 10.1126 / sciadv.abj1916
