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Uma nova pesquisa explora como as vibrações atômicas afetam a eficiência da emissão de fótons em defeitos quânticos, fornecendo insights que podem aprimorar o design de emissores quânticos para futuras redes quânticas.
Quando e por que um emissor de fótons falha em emitir? Pesquisa na UC Santa Barbara lança luz sobre essa questão.
Pesquisas sobre tecnologia de internet quântica destacam o desafio de produzir fótons estáveis em comprimentos de onda de telecomunicações, com estudos recentes se concentrando em melhorias de materiais e técnicas avançadas de emissão para aumentar a eficiência da rede quântica.
Os computadores se beneficiam muito por estarem conectados à internet, então podemos perguntar: De que serve um computador quântico sem uma internet quântica?
O segredo da nossa internet moderna é a capacidade dos dados permanecerem intactos enquanto viajam por longas distâncias, e a melhor maneira de conseguir isso é usando fótons. Fótons são unidades únicas (“quanta”) de luz. Ao contrário de outras partículas quânticas, os fótons interagem muito fracamente com seu ambiente. Essa estabilidade também os torna extremamente atraentes para transportar informações quânticas por longas distâncias, um processo que requer a manutenção de um delicado estado de emaranhamento por um longo período de tempo. Esses fótons podem ser gerados de várias maneiras. Um método possível envolve o uso de imperfeições em escala atômica (defeitos quânticos) em cristais para gerar fótons únicos em um estado quântico bem definido.
Ilustração conceitual representando um defeito quântico emitindo um único fóton. Crédito: Mark Turianksy
Décadas de otimização resultaram em cabos de fibra óptica que podem transmitir fótons com perda extremamente baixa. No entanto, essa transmissão de baixa perda funciona apenas para luz em uma faixa estreita de comprimentos de onda, conhecida como “banda de comprimento de onda de telecomunicações”. Identificar defeitos quânticos que produzem fótons nesses comprimentos de onda provou ser difícil, mas o financiamento do Departamento de Energia dos EUA e da National Science Foundation (NSF) permitiu que pesquisadores da Faculdade de Engenharia da UC Santa Barbara entendessem o porquê disso. Eles descrevem suas descobertas em um artigo publicado recentemente no periódico Fotônica APL.
Eficiência de emissão quântica
“Os átomos estão constantemente vibrando, e essas vibrações podem drenar energia de um emissor de luz”, diz o professor de materiais da UCSB, Chris Van de Walle. “Como resultado, em vez de emitir uma fótonum defeito pode, em vez disso, fazer com que os átomos vibrem, reduzindo a eficiência de emissão de luz.” O grupo de Van de Walle desenvolveu modelos teóricos para capturar o papel das vibrações atômicas no processo de emissão de fótons e estudou o papel de várias propriedades de defeitos na determinação do grau de eficiência.
O trabalho deles explica por que a eficiência da emissão de fótons únicos diminui drasticamente quando o comprimento de onda da emissão aumenta além dos comprimentos de onda da luz visível (violeta para vermelho) para os comprimentos de onda infravermelhos na banda de telecomunicações. O modelo também permite que os pesquisadores identifiquem técnicas para projetar emissores que sejam mais brilhantes e mais eficientes.
“A escolha cuidadosa do material hospedeiro e a realização de engenharia a nível atómico das propriedades vibracionais são duas formas promissoras de superar a baixa eficiência”, afirmou Mark Turiansky, investigador de pós-doutoramento no
Laboratório Van de Walle, pesquisador da NSF UC Santa Barbara Quantum Foundry e pesquisador líder do projeto.
Outra solução envolve o acoplamento a uma cavidade fotônica, uma abordagem que se beneficiou da experiência de dois outros afiliados da Quantum Foundry: o professor de engenharia da computação Galan Moody e Kamyar Parto, um estudante de pós-graduação no laboratório de Moody.
A equipe espera que seu modelo e os insights que ele fornece sejam úteis no projeto de novos emissores quânticos que alimentarão as redes quânticas do futuro.
Referência: “Rational design of efficient defect-based quantum emitters” por Mark E. Turiansky, Kamyar Parto, Galan Moody e Chris G. Van de Walle, 26 de junho de 2024, Fotônica APL.
DOI: 10.1063/5.0203366