Um estudo recente introduziu uma combinação potente de diamante e niobato de lítio para tecnologias quânticas, alcançando uma notável eficiência de transmissão de luz de 92%. Este avanço promete aprimorar o desenvolvimento da computação quântica e das redes de comunicação.
Diamante e niobato de lítio são combinados para servir como componente central para futuras tecnologias quânticas
O diamante e o niobato de lítio são frequentemente considerados materiais quânticos de alto desempenho. Agora, num resultado apoiado pelo centro Q-NEXT, os cientistas combinaram os dois materiais como um único dispositivo quântico, com resultados emocionantes.
Os cientistas da informação quântica estão sempre em busca de combinações vencedoras de materiais, materiais que possam ser manipulados em nível molecular para armazenar e transmitir informações de maneira confiável.
Após uma recente demonstração de prova de princípio, os pesquisadores estão adicionando uma nova combinação de compostos à lista de materiais quânticos.
Em um estudo relatado em Fotônica ACS, os pesquisadores combinaram duas estruturas nanométricas – uma feita de diamante e outra de niobato de lítio – em um único chip. Eles então enviaram luz do diamante para o niobato de lítio e mediram a fração de luz que conseguiu atravessá-lo. Quanto maior essa fração, mais eficiente será o acoplamento dos materiais e mais promissor será o emparelhamento como componente em dispositivos quânticos.
O resultado: extraordinários 92% da luz passaram do diamante para o niobato de lítio.
A pesquisa foi apoiada em parte pelo Q-NEXT, um Centro Nacional de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Departamento de Energia dos EUA (DOE), liderado pelo Laboratório Nacional Argonne do DOE. Amir Safavi-Naeini e Jelena Vuckovic, da Universidade de Stanford, lideraram o estudo.
“Foi um resultado emocionante obter 92% de eficiência deste dispositivo”, disse Hope Lee, coautora do artigo e Ph.D. estudante da Universidade de Stanford e pesquisador que trabalhou com o diretor da Q-NEXT, David Awschalom, durante a graduação na Universidade de Chicago. “Mostrou as vantagens da plataforma.”
Um pouco sobre qubits
As tecnologias quânticas aproveitam características especiais da matéria em escala molecular para processar informações. Espera-se que computadores, redes e sensores quânticos tenham um enorme impacto em nossas vidas em áreas como medicina, comunicação e logística.
As informações quânticas são entregues em pacotes chamados qubits, que podem assumir várias formas. Na nova plataforma da equipe de pesquisa, os qubits transmitem informações como partículas de luz.
Qubits confiáveis são essenciais para tecnologias como redes de comunicação quântica. Tal como nas redes tradicionais, as informações nas redes quânticas viajam de um nó para outro. Qubits estacionários armazenam informações dentro de um nó; qubits voadores transportam informações entre os nós.
O novo chip da equipe de pesquisa formaria a base de um qubit estacionário. Quanto mais robusto for o qubit estacionário, mais confiável será a rede quântica e maior será a distância que as redes podem cobrir. Uma rede quântica abrangendo um continente está bem ao nosso alcance.
Uma vantagem material
O diamante há muito é apontado como um ótimo lar para qubits. Por um lado, a estrutura molecular do diamante pode ser facilmente manipulada para hospedar qubits estacionários. Por outro lado, um qubit hospedado em diamante pode manter informações por um tempo relativamente longo, o que significa mais tempo para realizar cálculos. Além disso, os cálculos realizados usando qubits hospedados em diamante exibem alta precisão.
O parceiro de Diamond no estudo do grupo, o niobato de lítio, é outra estrela no que diz respeito ao processamento de informações quânticas. Suas propriedades especiais dão versatilidade aos cientistas, permitindo-lhes alterar a frequência da luz que passa por ele. Por exemplo, os pesquisadores podem aplicar um campo elétrico ou uma tensão mecânica ao niobato de lítio para ajustar a forma como ele canaliza a luz. Também é possível inverter a orientação de sua estrutura cristalina. Fazer isso em intervalos regulares é outra forma de moldar a passagem da luz através do material.
“Você pode usar essas propriedades do niobato de lítio para converter e alterar a luz que vem do diamante, modulando-a de maneiras que são úteis para diferentes experimentos”, disse Jason Herrmann, coautor do artigo e Ph.D. estudante em Stanford. “Por exemplo, você pode basicamente converter a luz em uma frequência usada pela infraestrutura de comunicação existente. Portanto, essas propriedades do niobato de lítio são realmente benéficas.”
Uma dupla poderosa
Tradicionalmente, a luz dos qubits hospedados em diamante é canalizada para um cabo de fibra óptica ou para um espaço livre. Em ambos os casos, a configuração experimental é difícil de manejar. Os cabos de fibra óptica são longos, soltos e flexíveis. E a transmissão de qubits para o espaço livre requer equipamentos volumosos.
Todo esse equipamento desaparece quando a luz dos qubits do diamante é canalizada para o niobato de lítio. Quase todos os componentes podem ser colocados em um pequeno chip.
“Há uma vantagem em ter o maior número possível de dispositivos e funcionalidades em um único chip”, disse Lee. “É mais estável. E realmente permite miniaturizar suas configurações.”
Não apenas isso, mas porque os dois dispositivos estão conectados por um filamento extremamente fino – 1/100 da largura de um fio de cabelo humano – a luz quântica é comprimida na passagem estreita que leva ao niobato de lítio, aumentando a interação da luz com o material e tornando mais fácil manipular as propriedades da luz.
“Quando todas as diferentes partículas de luz interagem juntas em um volume tão pequeno, você obtém uma eficiência muito maior no processo de conversão”, disse Herrmann. “Ser capaz de fazer isso na plataforma integrada dará origem a eficiências muito maiores em comparação com a configuração com fibras ou espaço livre.”
Uma montagem desafiadora
Um dos desafios do desenvolvimento da plataforma foi manipular o diamante – com apenas 300 nanômetros de largura – para alinhá-lo com o niobato de lítio.
“Tivemos que cutucar o diamante com pequenas agulhas para movê-lo até que visivelmente parecesse que estava no lugar correto nesta placa”, disse Lee. “É quase como se você estivesse cutucando com pequenos pauzinhos.”
Medir a luz transferida foi outro processo meticuloso.
“Temos que realmente ter certeza de que estamos contabilizando todos os lugares onde a luz é transmitida ou perdida para podermos dizer: ‘Isso é quanto está indo do diamante para o niobato de lítio’”, disse Herrmann. “Essa medição de calibração demorou muito para garantir que estávamos fazendo isso corretamente.”
A equipe está planejando novos experimentos que aproveitem as vantagens da informação quântica oferecidas pelo diamante e pelo niobato de lítio, tanto separadamente quanto em conjunto. Seu sucesso mais recente é apenas um marco no que eles esperam que seja um menu diversificado de dispositivos baseados nos dois materiais.
“Ao juntar essas duas plataformas materiais e canalizar a luz de uma para a outra, mostramos que, em vez de trabalhar com apenas um material, você pode realmente ter o melhor dos dois mundos”, disse Lee.
Referência: “Integração Fotônica Eficiente de Centros de Cor de Diamante e Niobato de Lítio de Filme Fino” por Daniel Riedel, Hope Lee, Jason F. Herrmann, Jakob Grzesik, Vahid Ansari, Jean-Michel Borit, Hubert S. Stokowski, Shahriar Aghaeimeibodi, Haiyu Lu , Patrick J. McQuade, Nicholas A. Melosh, Zhi-Xun Shen, Amir H. Safavi-Naeini e Jelena Vučković, 4 de dezembro de 2023, Fotônica ACS.
DOI: 10.1021/acsphotonics.3c00992
Este trabalho foi apoiado pelos Centros Nacionais de Pesquisa em Ciência da Informação Quântica do Office of Science do DOE como parte do centro Q-NEXT. Também foi apoiado pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA e pela Fundação Nacional de Ciência da Suíça.
