A solid-state quantum memory based on a continuous optoacoustic system

Para construir um futuro onde a informação viaje instantaneamente e de forma segura pelo globo, os cientistas precisam de uma maneira de pausar a luz. No mundo quântico, a informação é frequentemente transportada por partículas individuais de luz, mas essas partículas movem-se à velocidade da luz e desaparecem se atingirem qualquer coisa. Para processar esses dados ou enviá-los através de longas distâncias, os investigadores precisam de uma "memória" que possa apanhar um fotão voador, mantê-lo imóvel por um momento e depois libertá-lo exatamente como era. Não se trata apenas de guardar um ficheiro; trata-se de preservar os padrões delicados e invisíveis dos estados quânticos que tornam possíveis tecnologias como a comunicação inatacável e a deteção ultraprecisa. O desafio tem sido encontrar um material que consiga apanhar estas partículas fugazes sem destruir a sua natureza quântica, sendo também rápido o suficiente para lidar com o ritmo acelerado dos dados modernos.

Uma equipa de investigadores propôs um novo método para resolver este problema utilizando um pedaço sólido de vidro ou cristal que atua como uma autoestrada contínua tanto para a luz como para o som. Em vez de tentar prender a luz numa pequena caixa isolada, o que limita a quantidade de informação que pode ser armazenada de uma só vez, a sua abordagem utiliza um guia de ondas longo e fino onde ondas de luz e som viajam juntas. Neste sistema, um pulso de luz laser atua como uma ponte, convertendo um fotão viajante numa onda sonora viajante, conhecida como fonão, e depois novamente. Este processo baseia-se numa interação específica chamada espalhamento Brillouin, onde a energia de um fotão é trocada com a energia de uma onda sonora. Os investigadores demonstraram que, ao cronometrar cuidadosamente estas interações, podem mapear um estado quântico da luz para o som, deixá-lo ali parado por um curto período e depois recuperá-lo como luz novamente, tudo isto sem necessitar das temperaturas extremas, próximas do zero absoluto, normalmente exigidas para este tipo de trabalho delicado.

O núcleo desta proposta é um processo de dois passos que funciona como um interruptor reversível. Primeiro, um pulso forte de luz laser entra no guia de ondas e encontra um sinal fraco que transporta a informação quântica. Esta interação força o sinal a transformar-se numa onda sonora que viaja pelo material. O sinal está agora armazenado como uma vibração dentro do meio sólido. Após um atraso programável, um segundo pulso de laser chega para reverter o processo, transformando a onda sonora novamente num pulso de luz que transporta a informação original. Como o sistema utiliza ondas viajantes em vez de partículas presas numa cavidade, consegue lidar com uma vasta gama de frequências ao mesmo tempo. Isto significa que a memória pode armazenar muitos sinais simultaneamente, uma característica crucial para escalar as redes quânticas.

Os investigadores utilizaram simulações computacionais detalhadas para testar quão bem este sistema funcionaria com materiais do mundo real. Eles modelaram o comportamento das ondas de luz e som sob várias condições, incluindo diferentes temperaturas e níveis de intensidade de interação. Os seus resultados indicam que o sistema pode armazenar e recuperar estados quânticos complexos, tais como a luz "comprimida" (squeezed light), onde o ruído no sinal é reduzido abaixo do limite padrão, com uma precisão muito elevada. Mesmo a temperaturas de um Kelvin, que é apenas um grau acima do zero absoluto, mas muito mais quente do que as temperaturas de milikelvin frequentemente necessárias para dispositivos quânticos, a memória reteve a informação quântica com alta fidelidade. As simulações mostraram que o sistema poderia operar eficazmente para tempos de armazenamento de dezenas de nanossegundos, o que é tempo suficiente para processar dados para muitas aplicações avançadas.

Uma descoberta fundamental deste trabalho é que o sistema não exige que as ondas sonoras sejam arrefecidas até ao seu estado de energia mais baixo antes de a informação ser armazenada. Em muitos sistemas quânticos, qualquer calor ou vibração residual no material destrói a delicada informação quântica. No entanto, como este protocolo depende de uma troca rápida e coerente entre luz e som, a memória permanece robusta mesmo que as ondas sonoras não estejam perfeitamente frias. Os investigadores descobriram que, desde que a interação entre a luz e o som seja suficientemente forte, o sistema consegue superar o ruído térmico de fundo. Isto sugere que a tecnologia poderá ser muito mais fácil de construir e operar do que as abordagens anteriores, pois não exige o equipamento de arrefecimento mais extremo.

O estudo também explorou quão bem a memória preserva o emaranhamento, um fenómeno onde duas partículas permanecem ligadas independentemente da distância entre elas. Nas simulações, metade de um par emaranhado foi enviada para a memória enquanto a outra metade foi mantida fora como referência. Depois de a primeira metade ser armazenada como uma onda sonora e depois recuperada como luz, a ligação entre as duas partículas permaneceu intacta. As simulações mostraram que a força desta ligação, conhecida como negatividade, permaneceu suficientemente alta para confirmar que a natureza quântica do par foi preservada. Isto demonstra que o sistema é capaz de lidar com as formas mais frágeis de informação quântica, não apenas sinais simples.

A memória proposta foi desenhada para trabalhar com uma largura de banda de centenas de megahertz, permitindo processar uma grande quantidade de dados em paralelo. Este é um avanço significativo em relação aos sistemas que dependem de modos discretos e isolados, que só conseguem lidar com uma frequência de cada vez. Ao utilizar um meio contínuo, os investigadores mostraram que o sistema pode armazenar informação através de um amplo espectro de frequências simultaneamente. Esta capacidade abre as portas para o processamento de sinais quânticos multimodo, onde muitos canais diferentes de informação podem ser geridos ao mesmo tempo. As simulações sugeriram que, com a tecnologia atual, tais como guias de ondas com propriedades óticas específicas, o sistema poderia alcançar estes resultados utilizando pulsos de laser com potências de pico que são alcançáveis num ambiente de laboratório.

Embora os resultados apresentados se baseiem em modelos teóricos e simulações, eles apontam para um caminho prático para a construção de memórias quânticas escaláveis. Os investigadores notaram que, em experiências reais, o tempo de armazenamento poderia potencialmente ser estendido ainda mais se o material utilizado tiver perdas mecânicas mais baixas, o que é comum a temperaturas mais baixas. Eles também destacaram que a capacidade do sistema de trabalhar a temperaturas sub-Kelvin, em vez de exigir ambientes criogénicos profundos, torna-o um candidato mais viável para integração em futuras redes quânticas. O trabalho identifica um tipo específico de sistema optoacústico como uma plataforma promissora para a próxima geração de tecnologias quânticas, oferecendo uma forma de armazenar e processar informação baseada em luz com velocidade, capacidade e fiabilidade.