Os pesquisadores de Waterloo fundem a física e a química ganhadoras do prêmio Nobel para aumentar a eficiência e a segurança da comunicação quântica. Crédito: SciTechDaily.com
Universidade de Waterloo pesquisadores combinam conceitos ganhadores do prêmio Nobel para alcançar avanços científicos.
Pesquisadores do Instituto de Computação Quântica (IQC) da Universidade de Waterloo reuniram dois conceitos de pesquisa ganhadores do prêmio Nobel para avançar no campo da comunicação quântica.
Os cientistas agora podem produzir com eficiência emaranhados quase perfeitos fóton pares de fontes de pontos quânticos.
Os fótons emaranhados são partículas de luz que permanecem conectadas, mesmo a grandes distâncias, e o Prêmio Nobel de Física de 2022 reconheceu experimentos sobre este tema. Combinando o emaranhamento com pontos quânticos, tecnologia reconhecida com o Prémio Nobel da Química em 2023, a equipa de investigação do IQC teve como objetivo otimizar o processo de criação de fotões emaranhados, que têm uma grande variedade de aplicações, incluindo comunicações seguras.
Melhorando a eficiência e o emaranhamento quânticos
“A combinação de um alto grau de emaranhamento e alta eficiência é necessária para aplicações interessantes, como distribuição de chaves quânticas ou repetidores quânticos, que são concebidos para estender a distância da comunicação quântica segura para uma escala global ou conectar computadores quânticos remotos”, disse o Dr. • Michael Reimer, professor do IQC e do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação de Waterloo. “Experiências anteriores mediram apenas o emaranhamento quase perfeito ou a alta eficiência, mas somos os primeiros a atingir ambos os requisitos com um ponto quântico.”
A fonte de fótons emaranhados, um ponto quântico à base de índio embutido em um nanofio semicondutor (esquerda) e uma visualização de como os fótons emaranhados são extraídos eficientemente do nanofio. Crédito: Universidade de Waterloo
Ao incorporar pontos quânticos semicondutores em um nanofio, os pesquisadores criaram uma fonte que cria fótons emaranhados quase perfeitos, 65 vezes mais eficientemente do que trabalhos anteriores. Esta nova fonte, desenvolvida em colaboração com o Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá em Ottawa, pode ser excitada com lasers para gerar pares emaranhados sob comando. Os investigadores usaram então detectores de fotões únicos de alta resolução fornecidos pela Single Quantum na Holanda para aumentar o grau de emaranhamento.
Superando Desafios Históricos e Aplicações Futuras
“Historicamente, os sistemas de pontos quânticos foram afetados por um problema chamado divisão de estrutura fina, que faz com que um estado emaranhado oscile ao longo do tempo. Isso significava que as medições feitas com um sistema de detecção lento impediriam a medição do emaranhamento”, disse Matteo Pennacchietti, estudante de doutorado no IQC e no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação de Waterloo. “Superamos isso combinando nossos pontos quânticos com um sistema de detecção muito rápido e preciso. Podemos basicamente obter um carimbo de data/hora da aparência do estado emaranhado em cada ponto durante as oscilações, e é aí que temos o emaranhamento perfeito.”
Para apresentar futuras aplicações de comunicação, Reimer e Pennacchietti trabalharam com o Dr. Norbert Lütkenhaus e o Dr. Thomas Jennewein, ambos membros do corpo docente do IQC e professores do Departamento de Física e Astronomia de Waterloo, e suas equipes. Usando sua nova fonte de emaranhamento de pontos quânticos, os pesquisadores simularam um método de comunicação seguro conhecido como distribuição de chave quântica, provando que a fonte de pontos quânticos é uma promessa significativa no futuro das comunicações quânticas seguras.
Esta pesquisa, “Estado fotônico oscilante de Bell de um ponto quântico semicondutor para distribuição de chave quântica”, foi publicada recentemente em Física das Comunicações por Pennacchietti, Reimer, Jennewein, Lütkenhaus, Brady Cunard, Shlok Nahar e Sayan Gangopadhyay do IQC. Mohd Zeeshan, Dr. Philip Poole, Dr. Dr.Dan Dalacu Andreas Fognini, Dr. Klaus Jöns e Dr. Val Zwiller.
Referência: “Estado fotônico oscilante de Bell de um ponto quântico semicondutor para distribuição de chave quântica” por Matteo Pennacchietti, Brady Cunard, Shlok Nahar, Mohd Zeeshan, Sayan Gangopadhyay, Philip J. Poole, Dan Dalacu, Andreas Fognini, Klaus D. Jöns, Val Zwiller, Thomas Jennewein, Norbert Lütkenhaus e Michael E. Reimer, 24 de fevereiro de 2024, Física das Comunicações.
DOI: 10.1038/s42005-024-01547-3
