Armazenar informação quântica é essencial para o futuro da computação quântica e de uma internet quântica global. Os sistemas de comunicação quântica atuais enfrentam dificuldades com a perda de sinal em longas distâncias, o que limita o alcance da informação quântica. Memórias quânticas ajudam a resolver esse problema, tornando possível o uso de repetidores quânticos, permitindo que a informação “salte” através de uma rede por meio da troca de emaranhamento, ao invés de se desvanecer.
Um novo estudo publicado na Light: Science & Applications relata um grande avanço nesta 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 impressas em 3D conhecidas como “gaiolas 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 Gaiolas de Luz Diferentes
As gaiolas de luz são guias de onda de núcleo oco projetados para guiar a luz de forma eficaz, permitindo ao mesmo tempo o acesso ao espaço interno. Este design oferece uma vantagem chave em relação às fibras ocas convencionais, que podem levar meses para serem preenchidas com vapor atômico. Em contraste, a estrutura aberta das gaiolas de luz permite que os átomos de césio se difundam no núcleo de maneira muito mais rápida, reduzindo o processo de preenchimento para apenas alguns dias, sem sacrificar o desempenho óptico.
As estruturas são fabricadas usando litografia de polimerização por dois fótons com sistemas de impressão 3D comerciais. Essa abordagem permite que os pesquisadores imprimam diretamente guias de onda ocos intrincados em chips de silício com alta precisão. Para proteger os dispositivos de reações químicas com césio, os guias de onda são revestidos com uma camada protetora. Os testes mostraram que não houve sinais de degradação mesmo após cinco anos de operação, destacando a estabilidade a longo prazo do sistema.
“Criamos uma estrutura de condução que permite a rápida difusão de gases e fluidos dentro de seu núcleo, com a versatilidade e reprodutibilidade proporcionadas pelo processo de impressão 3D. Isso possibilita a verdadeira escalabilidade desta plataforma, não apenas para a fabricação intra-chip dos guias de onda, mas também inter-chip, para produzir múltiplos chips com o mesmo desempenho”, explicou a equipe de pesquisa.
Transformando Luz em Informação Quântica Armazenada
Dentro das gaiolas de luz, pulsos de luz que chegam são convertidos eficientemente em excitaçõe coletivas dos átomos circundantes. Após um tempo de armazenamento escolhido, um laser de controle reverte esse processo e libera a luz armazenada exatamente quando necessário. Em uma demonstração chave, os pesquisadores conseguiram armazenar pulsos de luz muito fracos contendo apenas alguns fótons por várias centenas de nanosegundos. Eles acreditam que essa abordagem poderá ser estendida para armazenar fótons únicos por muitos milissegundos.
Outro marco importante foi a integração de múltiplas memórias de gaiola de luz em um único chip colocado dentro de uma célula de vapor de césio. As medições mostraram que diferentes gaiolas de luz com o mesmo design entregaram um desempenho de armazenamento quase idêntico em dois dispositivos separados no mesmo chip. Este nível de consistência é essencial para construir sistemas quânticos escaláveis.
A forte reprodutibilidade é consequência da precisão do processo de impressão 3D. As variações dentro de um único chip foram mantidas abaixo de 2 nanômetros, enquanto as diferenças entre chips permaneceram abaixo de 15 nanômetros. Esse controle rigoroso é crítico para a multiplexação espacial, uma técnica que poderia aumentar dramaticamente o número de memórias quânticas operando juntas em um único dispositivo.
Implicações para Redes e Computação Quântica
As memórias quânticas de gaiola de luz abordam vários desafios antigos na tecnologia quântica. Em redes de repetidores quânticos, elas poderiam sincronizar vários fótons únicos ao mesmo tempo, aumentando consideravelmente a eficiência da comunicação quântica de longa distância. Na computação quântica fotônica, as memórias fornecem atrasos controlados necessários para operações de realimentação em sistemas de computação quântica baseados em medições.
A plataforma também se destaca por sua praticidade. Ao contrário de muitas tecnologias concorrentes, ela opera ligeiramente acima da temperatura ambiente e não requer resfriamento criogênico ou configurações complexas de captura de átomos. Isso torna o sistema mais fácil de implantar, ao mesmo tempo que oferece maior largura de banda por modo de memória. A capacidade de produzir muitas memórias quânticas idênticas em um único chip abre um caminho claro para a integração fotônica quântica em grande escala.
Graças ao seu processo de fabricação flexível, a tecnologia pode ser potencialmente combinada com acoplamento direto de fibra e componentes fotônicos existentes. Essas vantagens posicionam as memórias quânticas de gaiola de luz como uma forte candidata para a futura infraestrutura de comunicação quântica.
Um Caminho Escalável para o Futuro
O desenvolvimento de memórias quânticas de gaiola de luz marca um passo significativo na pesquisa fotônica quântica. Ao combinar impressão 3D avançada com princípios fundamentais da óptica quântica, os pesquisadores criaram um sistema compacto e escalável que pode acelerar a chegada de redes quânticas práticas e computadores quânticos mais poderosos.