Eletrônica

Átomos artificiais começam a iluminar a computação quântica

Átomos artificiais começam a iluminar a computação quântica
Representação esquemática da fluorescência de ressonância. (a) Em um átomo natural, um feixe de luz incidente (seta para a esquerda) é absorvido, e a luz é re-emitida em todas as direções. (b) Um átomo artificial feito a partir de um circuito supercondutor pode fazer o mesmo. Mas o uso de um guia de ondas unidimensional evita a dispersão da luz re-emitida.[Imagem: Astafiev et al./Science]

Ressonância de fluorescência

Um efeito quântico denominado ressonância de fluorescência, que resulta da interação da luz com a matéria, é promissor tanto para as pesquisas de computação óptica quando para a computação quântica.

A ressonância de fluorescência ocorre quando um feixe de luz com uma energia que corresponde à energia de ressonância de um átomo é absorvido pelo átomo e, em seguida, reemitida em direções aleatórias.

Isto permite "acoplar" dois fótons, ou partículas de luz, em um fenômeno chamado entrelaçamento quântico, uma das rotas mais promissoras para a fabricação dos sonhados computadores quânticos.

Antes disso, porém, os cientistas precisam conseguir replicar a ressonância de fluorescência em laboratório. Até hoje, os esforços que utilizavam átomos artificiais feitos de circuitos supercondutores vinham sendo infrutíferos.

Átomos artificiais

Agora, a ressonância de fluorescência foi finalmente obtida com um único átomo artificial. O feito foi alcançado por uma equipe de cientistas japoneses, ingleses e russos.

O grande desafio é que esse efeito quântico nos átomos é muito pequeno para ser útil em aplicações práticas porque a interação dos fótons e dos átomos é muito fraca, devido ao seu pequeno tamanho, de acordo com Jaw-Shen Tsai, do Laboratório Riken, no Japão, que liderou a equipe de pesquisa.

Para contornar esse problema, os cientistas criaram átomos artificiais sobre chips de computador, onde a interação entre a luz e o átomo artificial pode ser otimizada.

"Com um dispositivo de estado sólido como o nosso, feito de circuitos supercondutores, o acoplamento pode ser muito mais forte," disse Tsai.

Guia de ondas

Tentativas anteriores de pesquisadores para observar a fluorescência ressonante em átomos artificiais resultaram em baixa eficiência, cerca de 12%, devido à fraca reemissão da luz absorvida por esses átomos.

Para melhorar o processo de reemissão, os pesquisadores utilizaram um guia de ondas unidimensional acoplado ao átomo artificial. Isto resultou em uma reemissão eficiente de luz pelo átomo artificial porque, no guia de ondas unidimensional, a luz é canalizada em apenas duas direções.

Tsai e seus colegas demonstraram que cerca de 94% da luz que entra na frequência de ressonância do circuito supercondutor foi absorvida e reemitida.

Computação com luz

Com esta forte interação entre a luz incidente e o átomo artificial, uma série de aplicações potenciais são agora possíveis.

"Há toda uma série de experiências que se pode fazer, por exemplo, rumo à computação quântica baseada em fótons," diz Tsai.

A absorção de um fóton por um átomo artificial, por exemplo, poderia ser usada para controlar a propagação de um segundo fóton ao longo do guia de ondas, devido à natureza não-linear da interação da luz com o átomo artificial.

Bibliografia:

Resonance Fluorescence of a Single Artificial Atom
Astafiev, O., Zagoskin, A.M., Abdumalikov, A.A., Pashkin, Yu.A., Yamamoto, T., Inomata, K., Nakamura, Y., Tsai, J.S.
Science
Vol.: 327. no. 5967, pp. 840 - 843
DOI: 10.1126/science.1181918




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