Pesquisadores Usam Entrelaçamento Quântico para Alcançar “Ultralargura de Banda”

Pesquisadores da Universidade de Rochester aproveitaram o entrelaçamento quântico para alcançar uma largura de banda incrivelmente grande. Eles fizeram isso usando um dispositivo nanofotônico de filme fino.

Esta nova abordagem pode levar a uma sensibilidade e resolução aprimoradas para experimentos em metrologia e detecção, bem como a uma codificação de informações de maior dimensionalidade em redes quânticas para processamento e comunicação de informações.

A pesquisa foi publicada em Physical Review Letters.

Entrelaçamento Quântico

O entrelaçamento quântico ocorre quando dois partículas quânticas estão conectadas entre si, e isso pode acontecer mesmo quando elas estão extremamente longe uma da outra. Uma observação de uma partícula afeta a outra, demonstrando como elas estão se comunicando entre si.

Sempre que fótons entram em cena e se envolvem no entrelaçamento, há muitas mais possibilidades. Por exemplo, as frequências dos fótons podem ser entrelaçadas e a largura de banda pode ser controlada.

Qiang Lin é professor de engenharia elétrica e computacional.

“Este trabalho representa um grande salto adiante na produção de entrelaçamento quântico ultralargura de banda em um chip nanofotônico”, diz Lin. “E demonstra o poder da nanotecnologia para desenvolver dispositivos quânticos futuros para comunicação, computação e detecção.”

Entrelaçamento de Luz de Largura de Banda

Os dispositivos atuais geralmente dependem da divisão de um cristal em massa em seções pequenas para gerar entrelaçamento de luz de largura de banda. Cada uma dessas seções varia ligeiramente em propriedades ópticas e gera frequências diferentes dos pares de fótons. Ao adicionar essas frequências, uma largura de banda maior pode ser alcançada.

Usman Javid é um estudante de doutorado no laboratório de Lin e autor principal do artigo.

“Isso é bastante ineficiente e vem com um custo de redução da luminosidade e pureza dos fótons”, diz Javid. “Sempre haverá um trade-off entre a largura de banda e a luminosidade dos pares de fótons gerados, e é preciso fazer uma escolha entre os dois. Nós completamente contornamos esse trade-off com nossa técnica de engenharia de dispersão para obter ambos: uma largura de banda recorde em uma luminosidade recorde.”

O dispositivo nanofotônico de filme fino de niobato de lítio recém-desenvolvido pela equipe depende de uma única guia de onda com eletrodos em ambos os lados. Enquanto um dispositivo em massa pode ter milímetros de largura, o dispositivo de filme fino é extremamente impressionante em sua espessura de 600 nanômetros. Isso o torna um milhão de vezes menor em sua área de seção transversal do que um cristal em massa, tornando a propagação da luz extremamente sensível às dimensões da guia de onda.

Podem haver mudanças significativas na fase e na velocidade de grupo da luz que se propaga pelo dispositivo apenas com uma variação de alguns nanômetros. Devido a isso, o dispositivo permite o controle sobre a largura de banda na qual o processo de geração de pares é acoplado ao momento.

“Podemos resolver um problema de otimização de parâmetros para encontrar a geometria que maximiza essa largura de banda”, diz Javid.

Implantação do Dispositivo

A equipe tem o dispositivo pronto para ser implantado em experimentos em um ambiente de laboratório, mas se for para ser usado comercialmente, eles precisarão desenvolver um processo de fabricação mais eficiente e barato.

A fabricação de niobato de lítio ainda está em sua infância, e o aspecto financeiro deve ser melhorado.

A equipe trabalhou na pesquisa ao lado dos coautores Jingwei Ling, Mingxiao Li e Yang He do Departamento de Engenharia Elétrica e Computacional. O projeto também incluiu Jeremy Staffa do Instituto de Óptica.