Phase-Randomized Laser Pulse Generation at 10 GHz for Quantum Photonic Applications

No mundo oculto da comunicação quântica, a segurança baseia-se num princípio fundamental: a imprevisibilidade. Imagine duas pessoas a tentar partilhar um código secreto. Para garantir que ninguém mais consiga adivinhá-lo, os sinais que enviam devem ser verdadeiramente aleatórios, não apenas parecerem aleatórios, mas nascidos da própria natureza caótica do universo. Uma das formas mais promissoras de criar estes sinais é utilizando lasers que piscam de liga e desliga de forma incrivelmente rápida. Quando um laser é desligado e depois ligado novamente, a luz que produz deve ter uma "fase" completamente aleatória, que é essencialmente o tempo de pico e vale da onda de luz. Se este tempo for aleatório, o sinal é seguro. No entanto, há um problema. Se o laser piscar demasiado rápido, a luz do flash anterior permanece dentro do dispositivo, agindo como um fantasma que influencia o próximo flash. Esta luz persistente cria um padrão, tornando os sinais previsíveis e quebrando a segurança. Durante anos, este efeito de persistência forçou os cientistas a manter as taxas de flash dos seus lasers relativamente lentas, limitando a rapidez com que podem enviar mensagens secretas ou gerar números aleatórios.

Uma equipa de investigadores da Toshiba Europe Ltd e da Universidade de Cambridge encontrou uma forma de quebrar este limite de velocidade. Eles descobriram um método para forçar o laser a esquecer o seu passado, permitindo que pisque a uma taxa de 10 mil milhões de vezes por segundo, mantendo simultaneamente uma aleatoriedade perfeita. Para alcançar isto, não tentaram limpar a luz persistente; em vez disso, inundaram o laser com uma fonte de luz fresca e caótica proveniente de um dispositivo externo. Ao injetar esta luz externa, que é gerada por um tipo especial de díodo que emite luz puramente através de processos espontâneos e aleatórios, eles sobrecarregaram a memória do laser. Esta luz externa atua como uma nova semente para cada flash, garantindo que cada pulso comece com uma fase completamente nova e imprevisível. O resultado é um laser que pode operar a velocidades anteriormente consideradas impossíveis para aplicações quânticas seguras, removendo efetivamente o gargalo que tem travado a comunicação quântica de alta velocidade.

Os investigadores testaram a sua ideia utilizando um díodo laser padrão, um dispositivo que emite luz quando a eletricidade é aplicada. Num cenário normal, eles ligariam e desligariam o laser para criar um comboio de pulsos de luz. Quando operaram este laser a uma velocidade moderada de 1 mil milhão de flashes por segundo, o sistema funcionou como esperado. Os pulsos de luz eram aleatórios e o tempo entre eles não mostrava qualquer ligação com o flash anterior. No entanto, quando aumentaram a velocidade para 10 mil milhões de flashes por segundo, o sistema falhou. Os pulsos começaram a lembrar-se uns dos outros. A luz de um flash ainda estava presente quando o próximo começava, fazendo com que o novo flash copiasse o tempo do antigo. Isto criou uma forte ligação entre os pulsos, destruindo a aleatoriedade necessária para a segurança. A esta velocidade elevada, o laser já não estava a gerar sinais independentes; estava meramente a repetir um padrão, tornando-o inútil para comunicações seguras.

Para corrigir isto, a equipa introduziu uma segunda fonte de luz: um díodo superluminescente. Este dispositivo é semelhante a um laser, mas é desenhado para emitir uma luz que é brilhante e direcional, mas completamente aleatória no seu tempo, tal como uma lâmpada que é mais brilhante e focada. Eles direcionaram esta luz aleatória para a cavidade do laser principal. O efeito foi imediato e dramático. Assim que a luz aleatória entrou no laser, a ligação entre os pulsos desapareceu. Mesmo a 10 mil milhões de flashes por segundo, cada novo pulso nasceu do ruído caótico da luz injetada, em vez do fantasma do flash anterior. Os investigadores mediram a intensidade da luz que saía e descobriram que ela seguia um padrão estatístico específico conhecido como distribuição de arco seno, que é a impressão digital da verdadeira aleatoriedade. Sem a injeção externa, o padrão era plano e previsível; com ela, o padrão retornou à forma caótica necessária para a segurança.

A equipa também analisou o espectro de cores da luz para compreender o que estava a acontecer dentro do laser. Quando o laser estava a funcionar demasiado rápido sem ajuda, a luz mostrava uma série de linhas nítidas e distintas, como os dentes de um pente. Estas linhas indicavam que os pulsos estavam perfeitamente sincronizados e a repetir um padrão. Quando adicionaram a luz aleatória externa, estas linhas nítidas desapareceram. O espectro tornou-se uma curva suave e contínua, mostrando que os pulsos já não estavam bloqueados uns nos outros. A luz externa tinha conseguido desordenar o tempo do laser, acelerando o processo pelo qual a fase da luz se torna aleatória. Isto permitiu que o laser se reiniciasse completamente entre os flashes, mesmo quando o tempo entre os flashes era incrivelmente curto.

Uma preocupação ao adicionar luz extra é que esta possa tornar o tempo dos pulsos demasiado instável. Os investigadores mediram este "jitter", ou a ligeira variação em quando cada pulso chega. Descobriram que, à medida que aumentavam a quantidade de luz injetada, o jitter também aumentava, subindo de 4,4 picosegundos para 21,9 picosegundos no nível de injeção mais elevado. No entanto, determinaram que este nível de instabilidade era aceitável. Os pulsos ainda se sobrepunham o suficiente para serem medidos corretamente e a aleatoriedade foi preservada. O compromisso valia a pena: um tempo ligeiramente menos preciso era um pequeno preço a pagar pela restauração da aleatoriedade essencial que torna o sistema seguro. A equipa calculou que este novo método poderia, teoricamente, gerar números aleatórios a uma taxa superior a 40 mil milhões de bits por segundo, um salto massivo em relação às capacidades atuais.

Este avanço aborda um grande obstáculo no desenvolvimento de tecnologias quânticas. Atualmente, a velocidade dos sistemas de distribuição de chaves quânticas é limitada pela rapidez com que o laser pode ser ligado e desligado sem perder a sua aleatoriedade. Ao resolver este problema, os investigadores abriram as portas para redes de comunicação muito mais rápidas. Embora o laser em si possa agora piscar 10 mil milhões de vezes por segundo, o resto do sistema, particularmente os detetores que captam a luz, precisará de acompanhar o ritmo para utilizar plenamente esta velocidade. No entanto, a capacidade de gerar sinais aleatórios seguros a taxas tão elevadas é um passo significativo. Sugere que as futuras redes quânticas poderão operar a velocidades comparáveis à internet de alta velocidade de hoje, aproximando a promessa de comunicações impossíveis de hackear da realidade. O método é simples e robusto, baseando-se na física fundamental da luz para superar as limitações de velocidade, provando que, por vezes, a melhor forma de avançar é introduzir um pouco de caos controlado.