Long-lived quantum memories with rare-earth ions doped in crystals

Imagine um mundo onde a informação não é transportada por correntes elétricas em fios, mas por partículas individuais de luz. Estas partículas de luz, conhecidas como fótons, são os mensageiros ideais para um novo tipo de internet que promete segurança inquebrável e um poder computacional sem precedentes. No entanto, a luz tem uma falha fatal: ela não pode ser parada. Uma vez que um fóton é enviado por um cabo de fibra ótica, ele viaja até ser perdido ou absorvido. Ele não pode esperar. Isso torna impossível a construção de uma rede global, porque os sinais enfraquecem com a distância e, ao contrário de um sinal tradicional que pode ser copiado e amplificado, um sinal quântico não pode ser copiado sem destruir a sua informação delicada. Para resolver isto, os cientistas precisam de uma forma de capturar um fóton voador, segurá-lo imóvel e libertá-lo mais tarde exatamente como ele era. Este dispositivo é chamado de memória quântica. Ele atua como um botão de pausa para a luz, permitindo que a rede sincronize as suas operações e estenda o seu alcance através de continentes.

Durante anos, os investigadores procuraram o material perfeito para servir como este botão de pausa. Precisavam de algo sólido, fácil de construir e capaz de manter um estado quântico durante um longo período sem que este se desvanecesse. Um candidato promissor surgiu do mundo dos cristais: iões de terras raras. Estes são átomos de elementos como o európio ou o praseodímio que foram incorporados numa rede cristalina. A característica única destes átomos é que as suas camadas externas agem como um escudo, protegendo os seus eletrões internos do ambiente ruidoso do cristal. Esta proteção permite-lhes manter o seu estado quântico por períodos surpreendentemente longos. No entanto, mesmo com este escudo natural, o ambiente ainda interfere. Pequenas flutuações nos campos magnéticos, causadas pelo movimento aleatório dos átomos no cristal ou pelo próprio campo magnético da Terra, fazem com que a informação armazenada se desorganize e desapareça.

Uma equipa de investigadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China deu agora um grande passo em frente no domínio deste bloqueio de interferência. Numa revisão abrangente de experiências recentes, eles descrevem como os investigadores conseguiram estender a vida destas memórias quânticas de segundos para minutos e, em alguns casos, para horas. A chave para este sucesso reside em duas estratégias inteligentes. Primeiro, identificaram uma intensidade de campo magnético específica onde os átomos se tornam naturalmente imunes ao ruído magnético. É como se os átomos encontrassem um "ponto ideal" onde o empuxo e o puxão magnéticos se cancelam perfeitamente. Segundo, quando os átomos começam a derivar, os investigadores aplicam uma série rápida de pulsos de radiofrequência. Estes pulsos agem como um empurrão suave, realinhando constantemente os átomos antes que eles percam o caminho, efetivamente congelando a informação no lugar.

Os resultados deste trabalho são medidos de três formas distintas, cada uma representando um nível diferente de dificuldade. A primeira medida é o "tempo de coerência de spin", que é simplesmente quanto tempo os átomos conseguem manter o seu alinhamento quântico antes de começarem a afastar-se uns dos outros. Utilizando cristais dopados com iões de európio e aplicando o ponto ideal magnético juntamente com os pulsos de realinhamento, os investigadores alcançaram um tempo de coerência recorde de quase seis horas. Isto significa que os átomos permaneceram sincronizados durante uma duração muito superior a qualquer experiência anterior com este tipo de material.

A segunda medida é o "tempo de armazenamento de luz". Este é a duração para a qual um feixe de luz real pode ser capturado, armazenado como uma vibração dentro dos átomos e depois libertado novamente como luz. Em experiências anteriores com iões de praseodímio, os cientistas conseguiram armazenar luz durante cerca de 42 segundos. Ao mudar para cristais de európio mais estáveis e utilizar um método de armazenamento diferente que depende de um padrão específico de níveis de energia atómica, os investigadores estenderam este tempo para mais de 52 minutos. Eles demonstraram que um pulso de luz poderia ser mantido por quase uma hora e depois recuperado com o seu padrão de onda intacto, provando que a informação não tinha sido desorganizada.

O desafio mais difícil, e que nos aproxima mais de uma internet quântica funcional, é o "tempo de armazenamento quântico". Isto envolve armazenar não apenas um feixe brilhante de luz, mas uma única partícula de luz, ou um único fóton. Armazenar um único fóton é incrivelmente difícil porque o processo deve ser tão eficiente e silencioso que nenhum ruído extra seja adicionado, ou o fóton único será perdido no ruído estático. Tentativas anteriores lutaram para manter um único fóton por mais de alguns milissegundos. No entanto, ao combinar o ponto ideal magnético, os pulsos de realinhamento e um novo método que evita a criação de ruído extra durante o processo de armazenamento, os investigadores liderados por Lv et al. conseguiram armazenar entradas de nível de fotão único por mais de 27 segundos. Nesta duração, o fotão armazenado reteve a sua natureza quântica, provando que não era apenas um sinal clássico, mas uma verdadeira memória quântica.

Estas conquistas não são apenas marcos teóricos; elas apontam para um futuro prático. Os investigadores observam que estes cristais são compatíveis com a tecnologia existente, o que significa que poderiam ser integrados em pequenos dispositivos. Isto abre a porta para "memórias quânticas transportáveis", onde um dispositivo contendo uma memória quântica poderia ser carregado num camião, num drone ou num satélite para transportar informação quântica entre cidades distantes ou até através do espaço. A capacidade de manter um estado quântico por uma hora significa que um veículo poderia viajar centenas de quilómetros enquanto mantém a informação segura, colmatando lacunas que os cabos de fibra ótica não conseguem atravessar. Embora existam desafios, como melhorar a eficiência da captura da luz e tornar o equipamento mais pequeno, este trabalho estabelece que memórias quânticas de estado sólido e longa duração já não são um sonho distante, mas uma realidade tangível.