Uma representação artística mostra várias cercas de luz com núcleo oco guiando a luz através de seus núcleos, todas imersas em uma atmosfera de césio. O acesso lateral único à região do núcleo permite a rápida difusão dos átomos de césio, ao mesmo tempo em que oferece excelente confinamento do campo óptico. Crédito: Esteban Gómez-López et al.
O desafio do armazenamento quântico
Armazenar informações quânticas é essencial para o futuro tanto da computação quântica quanto de uma internet quântica global. Os sistemas atuais de comunicação quântica enfrentam dificuldades relacionadas à perda de sinal em longas distâncias, o que limita a distância que a informação quântica pode percorrer. Memórias quânticas ajudam a resolver esse problema ao viabilizar repetidores quânticos, permitindo que a informação seja transmitida por uma rede através da troca de emaranhamento, em vez de se apagar.
Avanço inovador com cercas de luz 3D
Um novo estudo publicado na revista Light: Science & Applications apresenta um grande avanço nessa área. Pesquisadores da Humboldt-Universität zu Berlin, do Leibniz Institute of Photonic Technology e da Universidade de Stuttgart introduziram um novo tipo de memória quântica construída a partir de estruturas nanoprintadas em 3D chamadas de “cercas de luz”, preenchidas com vapor atômico. Ao reunir luz e átomos em um único chip, a equipe criou uma plataforma projetada para escalabilidade e integração perfeita em sistemas fotônicos quânticos.
O que torna as cercas de luz especiais
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As cercas de luz são guias de onda com núcleo oco, projetados para guiar a luz de forma precisa enquanto permitem acesso ao espaço interno. Essa configuração oferece uma vantagem significativa em relação às fibras de núcleo oco convencionais, que podem levar meses para serem preenchidas com vapor atômico. Em contraste, a estrutura aberta das cercas de luz permite que os átomos de césio difundam-se rapidamente até o núcleo, reduzindo o processo de enchimento para apenas alguns dias, sem comprometer o desempenho óptico.
As estruturas são fabricadas por meio da litografia por polimerização por dois fótons, utilizando sistemas comerciais de impressão 3D. Essa técnica possibilita a impressão direta de guias de onda complexos com núcleo oco em chips de silício com altíssima precisão. Para proteger os dispositivos de reações químicas com o césio, os guias são revestidos com uma camada protetora. Testes demonstraram ausência de degradação mesmo após cinco anos de operação, evidenciando a estabilidade a longo prazo do sistema.
“Criamos uma estrutura guia que permite a rápida difusão de gases e fluidos dentro de seu núcleo, com a versatilidade e reprodutibilidade proporcionadas pelo processo de nanoprintagem 3D. Isso possibilita a verdadeira escalabilidade da plataforma, não apenas para a fabricação intra-chip dos guias de onda, mas também para a produção entre chips, gerando múltiplos chips com desempenho idêntico”, explicou a equipe de pesquisa.
Luz transformada em informação quântica armazenada
Dentro das cercas de luz, pulsos de luz que chegam são convertidos eficientemente em excitações coletivas dos átomos ao redor. Após um tempo de armazenamento escolhido, um laser de controle inverte esse processo e libera a luz armazenada exatamente quando necessário. Em uma demonstração fundamental, os pesquisadores conseguiram armazenar pulsos de luz muito fracos contendo poucos fótons por várias centenas de nanossegundos. Eles acreditam que essa abordagem poderá ser estendida futuramente para armazenar fótons únicos por muitos milissegundos.
Outro marco importante foi a integração de múltiplas memórias de cercas de luz em um único chip, colocado dentro de uma célula de vapor de césio. As medições mostraram que diferentes cercas de luz com o mesmo design entregaram desempenho de armazenamento quase idêntico em dois dispositivos distintos no mesmo chip. Esse nível de consistência é fundamental para construir sistemas quânticos escaláveis.
Implicações para redes e computação quântica
A forte reprodutibilidade deriva da precisão do processo de nanoprintagem 3D. As variações dentro de um único chip ficaram abaixo de 2 nanômetros, enquanto as diferenças entre chips permaneceram inferiores a 15 nanômetros. Esse controle rigoroso é crucial para o multiplexamento espacial, uma técnica capaz de aumentar drasticamente o número de memórias quânticas operando simultaneamente em um único dispositivo.