Os estados de spin de íons de érbio emaranhados em um cristal sólido podem ser controlados e lidos individualmente usando uma nova técnica desenvolvida por Jeff Thompson e colegas da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos. Ao fazer isso, a equipe superou o importante desafio de fazer medições em íons próximos em um cristal. Sua técnica pode levar à criação de novos dispositivos quânticos que podem ser integrados à tecnologia de telecomunicações ópticas existente.
Algumas impurezas de escala atômica em cristais de estado sólido têm estados de spins que perduram por longos períodos de tempo e podem, portanto, ser usados como bits quânticos (qubits) de informação. Se as impurezas estiverem próximas o suficiente em um cristal, seus spins ficarão emaranhados uns com os outros. Esse emaranhamento pode ser explorado para criar portas lógicas quânticas para computadores quânticos.
No entanto, a separação em nanoescala necessária para o emaranhamento está normalmente bem abaixo do limite de difração da luz visível. Isso significa que os lasers ópticos usados para controlar e ler os estados de spin normalmente não podem distinguir entre os spins de impurezas individuais.
Mudança aleatória
Uma maneira promissora de contornar esse problema é usar íons de terras raras do érbio como impurezas. Seus spins podem reter informações quânticas por longos períodos de tempo e interagir com a luz em comprimentos de onda usados para telecomunicações ópticas. Mas o mais importante, cada impureza de íon de érbio em um cristal experimenta uma mudança estática aleatória em suas energias de transição óptica. Isso significa que, mesmo que as posições de vários íons não possam ser resolvidas espacialmente, seus estados de spin podem ser controlados e lidos usando os comprimentos de onda distintos da luz que eles absorvem e emitem quando iluminados por um laser.
Para explorar essa propriedade, a equipe de Thompson dotou um cristal de ortossilicato de ítrio com íons de érbio. Eles então acoplaram o sistema a uma cavidade fotônica de silício, o que aumenta a emissão de luz dos íons e torna mais fácil a leitura dos spins. De centenas de íons de érbio na amostra, os pesquisadores se concentraram em seis íons em uma região sub-mícron, ajustando o comprimento de onda de um laser para corresponder a cada um dos íons. Esta abordagem permitiu-lhes controlar e ler facilmente os estados de spin de íons individuais com alta fidelidade.
Thompson e seus colegas agora esperam que sua abordagem possa ser ampliada para acomodar um grande número de íons de terras raras com separações arbitrariamente pequenas – tornando-os adequados para sistemas de múltiplos qubit. Crucialmente, eles apontam que a tecnologia poderia ser facilmente integrada às infra-estruturas de comunicação existentes: transmissão de sinais codificados em faixas de freqüência de telecomunicações usando dispositivos de silício e fibras ópticas atuais. Se alcançado, isso poderá permitir que defeitos de íon de érbio forneçam uma base sólida para futuros computadores quânticos, bem como redes de comunicação quântica ultra-seguras.
Publicado em 23/11/2020 20h27
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