Electrically tunable, two-photon interference from remote silicon-vacancy centers in industrial silicon carbide
Este estudo demonstra que centros de vacância de silício em diodos p-i-n de carbeto de silício de grau industrial servem como uma plataforma escalável e espectralmente estável para redes quânticas distribuídas, alcançando interferência de dois fótons de alta visibilidade entre nós remotos ao longo de um período de 26 dias com manutenção mínima.
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O sonho de uma internet quântica baseia-se num princípio simples, mas exigente: para ligar computadores distantes, eles devem ser capazes de trocar informações utilizando partículas individuais de luz. Para que esta troca funcione, as partículas de luz enviadas de um local devem ser perfeitamente idênticas às enviadas de outro, como se fossem gémeos separados ao nascer. Se as partículas diferirem mesmo que ligeiramente na sua cor ou temporização, não poderão fundir-se para criar o emaranhamento necessário para a comunicação segura ou computação distribuída. O desafio reside em criar estas partículas idênticas a partir de materiais sólidos que possam ser produzidos em massa. Embora a natureza ofereça alguns emissores perfeitos, estes são raros e difíceis de controlar. Os cientistas procuram há muito tempo uma forma de pegar num material comum e industrial e de o engenheirar para emitir luz com a precisão exigida para estas ligações quânticas delicadas, garantindo que a luz permaneça estável durante longos períodos, em vez de apenas por um momento fugaz.
Num experimento recente, investigadores demonstraram que podem alcançar esta estabilidade utilizando um semicondutor industrial padrão conhecido como carbeto de silício. Dentro deste material, identificaram pequenos defeitos chamados centros de vacância de silício, que atuam como fontes únicas de luz. A equipa colocou estes defeitos dentro de estruturas eletrónicas especializadas chamadas diodos p-i-n, que permitem controlar as propriedades da luz através da eletricidade. Ao aplicar uma voltagem específica, conseguiram sintonizar a cor da luz emitida por cada defeito para coincidir com um alvo preciso. Testaram este método em dezenove fontes de luz diferentes localizadas em duas amostras separadas. Sem necessidade de selecionar previamente as melhores, ajustaram com sucesso a voltagem para cada fonte até que todas as dezenove emitissem luz exatamente na mesma frequência. Além disso, o controlo elétrico estreitou a dispersão da cor da luz, tornando a emissão extremamente pura e consistente.
Os investigadores colocaram depois duas destas fontes de luz sintonizadas em câmaras criogénicas separadas, mantendo-as a uma temperatura de quatro Kelvin, que é apenas acima do zero absoluto. Estas câmaras foram posicionadas a dois metros de distância, simulando a distância entre nós numa rede futura. Guiaram a luz de ambas as fontes para um ponto central onde os feixes se sobrepunham. Quando as partículas de luz dos dois locais distintos se encontraram, interferiram umas com as outras de uma forma que provou serem indistinguíveis. O experimento mostrou um alto grau de sobreposição, com as ondas de luz coincidindo entre si com uma visibilidade de 82 por cento. Este nível de concordância é considerado de ponta para sistemas de estado sólido remotos e confirma que a luz destas duas fontes distantes é efetivamente idêntica.
Uma parte crítica do estudo não foi apenas alcançar este ajuste uma vez, mas mantê-lo dessa forma ao longo do tempo. As redes quânticas requerem sistemas que possam operar durante dias ou semanas sem ajustes manuais constantes. A equipa realizou o seu experimento continuamente durante 26 dias, acumulando mais de 600 horas de dados. Durante este tempo, as fontes de luz derivaram naturalmente na sua frequência devido a pequenas flutuações no seu ambiente. No entanto, o sistema de controlo elétrico atuou como um estabilizador automático. A cada duas horas, o sistema verificava a cor da luz e fazia pequenos ajustes à voltagem para a trazer de volta ao alvo. Este ciclo de feedback foi tão eficaz que os investigadores só precisaram de intervir para reiniciar o sistema, em média, a cada 8,4 horas para uma fonte e a cada 19,4 horas para a outra. Esta estabilidade a longo prazo é um passo significativo, pois reduz a carga de trabalho e a complexidade necessárias para manter uma rede quântica em funcionamento.
As descobertas sugerem que os centros de vacância de silício em carbeto de silício industrial são um bloco de construção viável e escalável para redes quânticas distribuídas. Ao combinar a capacidade de sintonizar eletricamente a luz para uma frequência comum com a capacidade de manter essa frequência durante muitos dias, os investigadores abordaram dois grandes obstáculos no campo. Eles provaram que é possível criar fotões de alta qualidade e indistinguíveis a partir de dispositivos fabricados independentemente, sem necessidade de os selecionar de um grupo raro. O trabalho demonstra que estes sistemas de estado sólido podem ser integrados em componentes eletrónicos padrão e operados remotamente, ofereção um caminho prático para a implementação em larga escala das tecnologias quânticas.
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