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Ilustração de um pente de frequência nuclear exibindo fótons individuais conforme visualizados em uma escala logarítmica de cores escuras a brilhantes, com cores mais brilhantes indicando instâncias de tempo em que os fótons armazenados têm maior probabilidade de serem recuperados. Essas instâncias ocorrem mais próximas para espaçamentos de energia mais altos e são mais espalhadas no tempo para espaçamentos de energia mais baixos. Crédito: DESY/Sven Velten
Pesquisadores desenvolveram uma memória quântica inovadora para raios X, permitindo tempos de memória estendidos e abrindo caminho para aplicações avançadas de óptica quântica, incluindo fóton emaranhamento em energias de raios X.
A luz serve como um portador excepcional de informação, desempenhando um papel crucial não apenas em tecnologias de comunicação tradicionais, mas também em aplicações quânticas emergentes, como redes quânticas e computação. No entanto, processar sinais de luz é significativamente mais complexo do que lidar com sinais eletrônicos padrão.
Uma equipe internacional de pesquisadores, incluindo a Dra. Olga Kocharovskaya, professora renomada do Departamento de Física e Astronomia da Universidade Texas A&M, demonstrou uma nova maneira de armazenar e liberar pulsos de raios X no nível de fóton único — um conceito proposto pela primeira vez em trabalhos teóricos anteriores do grupo de Kocharovskaya — que poderia ser aplicado a futuras tecnologias quânticas de raios X.
O trabalho da equipe, liderado pelo Professor Dr. Ralf Röhlsberger do Instituto Helmholtz em Jena e realizado usando as fontes de síncrotron PETRA III no Síncroton Eletrônico Alemão (DESÍGIO) em Hamburgo e a European Synchrotron Radiation Facility na França, resultaram na primeira realização da memória quântica na faixa de raios X duros. Suas descobertas são publicadas no periódico Avanços da Ciência.
A função e os desafios da memória quântica
“A memória quântica é um elemento indispensável da rede quântica, fornecendo armazenamento e recuperação de informações quânticas”, disse Kocharovskaya, membro do Instituto Texas A&M para Ciência e Engenharia Quântica. “Os fótons são portadores rápidos e robustos de informações quânticas, mas é difícil mantê-los estacionários caso essas informações sejam necessárias mais tarde. Uma maneira conveniente de fazer isso é imprimindo essas informações em um meio quase estacionário na forma de polarização ou onda de spin com um longo tempo de coerência e liberando-as de volta por meio da reemissão dos fótons originais.”
Kocharovskaya diz que vários protocolos para memórias quânticas foram estabelecidos, mas são limitados a fótons ópticos e conjuntos atômicos. Usar conjuntos nucleares em vez de atômicos, ela acrescenta, fornece tempos de memória muito mais longos, atingíveis mesmo em altas densidades de estado sólido e temperatura ambiente. Esses tempos de memória mais longos são um resultado direto da menor sensibilidade das transições nucleares a perturbações por campos externos, graças aos pequenos tamanhos de núcleos. Em combinação com um foco apertado dos fótons de alta frequência, tais abordagens podem levar ao desenvolvimento de memórias quânticas compactas de estado sólido de banda larga de longa duração.
Dra. Olga Kocharovskaya (centro), aceitando seu Prêmio Herbert Walther 2024 em homenagem à pesquisa pioneira e liderança em óptica quântica e física atômica do presidente da Sociedade Física Alemã (DPG), Jochim Ullrich (esquerda) e do presidente da Optica, Gerd Leuchs (direita), durante a reunião da DPG em Freiburg, Alemanha, em março passado. Crédito: DPG/Daab 2024
Desenvolvimento de um novo protocolo de raios X/nuclear
“A extensão direta dos protocolos óptico/atômico para raios X/nucleares prova ser desafiadora ou impossível”, explica o Dr. Xiwen Zhang, pesquisador de pós-doutorado no grupo de Kocharovskaya que participou do experimento e foi coautor do artigo da equipe. “Assim, um novo protocolo foi sugerido em nosso trabalho anterior.”
De acordo com Zhang, a ideia por trás do novo protocolo da equipe é muito simples, pelo menos em termos de fundamentos quânticos. Essencialmente, um conjunto de absorvedores nucleares em movimento forma um pente de frequência no espectro de absorção devido à mudança de frequência Doppler causada pelo movimento. Um pulso curto com o espectro correspondendo a um pente absorvido por tal conjunto de alvos nucleares será reemitido com o atraso determinado pela mudança Doppler inversa como resultado da interferência construtiva entre diferentes componentes espectrais.
“Essa ideia foi realizada com sucesso em nosso experimento atual, com um absorvedor estacionário e seis absorvedores em movimento sincronizado que formaram um pente de frequência de sete dentes”, acrescentou Zhang.
Zhang diz que o tempo de vida da coerência nuclear é o fator limitante que determina o tempo máximo de armazenamento para esse tipo de memória quântica. Por exemplo, usar isômeros de vida mais longa do que o isótopo de ferro 57 que a equipe escolheu para seu estudo atual resultaria em um tempo de memória mais longo.
Independentemente disso, ele observa que trabalhar em um nível de fóton único sem perder informações qualifica o protocolo de pente de frequência nuclear como uma memória quântica, o que é uma novidade para energias de raios X. Os próximos passos planejados pela equipe incluem a liberação sob demanda dos pacotes de ondas de fótons armazenados, o que pode levar à realização do emaranhamento entre diferentes fótons de raios X duros — o principal recurso para o processamento de informações quânticas. A pesquisa da equipe também destaca o potencial de estender tecnologias quânticas ópticas para a faixa de comprimento de onda curto, que é intrinsecamente menos “barulhenta” devido à média de flutuações em um grande número de oscilações de alta frequência.
Kocharovskaya diz que as possibilidades desafiadoras são intrigantes e que ela e seus colaboradores estão ansiosos para continuar a explorar o potencial de sua plataforma ajustável, robusta e altamente versátil para avançar o campo da óptica quântica em energias de raios X em um futuro próximo.
Referência: “Memória quântica nuclear para pacotes de ondas de fótons de raios X rígidos” por Sven Velten, Lars Bocklage, Xiwen Zhang, Kai Schlage, Anjali Panchwanee, Sakshath Sadashivaiah, Ilya Sergeev, Olaf Leupold, Aleksandr I. Chumakov, Olga Kocharovskaya e Ralf Röhlsberger, 26 de junho de 2024, Avanços da Ciência.
DOI: 10.1126/sciadv.adn9825
O estudo foi financiado pela Deutsche Forschungsgemeinschaft, DESY e pela National Science Foundation dos EUA.