Os pontos quânticos – nanostruturas semicondutoras que podem emitir fótons individuais sob demanda – são considerados uma das fontes mais promissoras para a computação quântica fotônica. No entanto, cada ponto quântico é ligeiramente diferente e pode emitir uma cor um pouco distinta. Isso significa que, para produzir estados de múltiplos fótons, não podemos usar múltiplos pontos quânticos. Geralmente, os pesquisadores utilizam um único ponto quântico e multiplexam a emissão em diferentes modos espaciais e temporais, utilizando um modulador eletro-ótico rápido. Agora entra o desafio tecnológico: moduladores eletro-óticos mais rápidos são caros e frequentemente requerem engenharia muito personalizada. Para piorar, podem não ser muito eficientes, o que introduz perdas indesejadas no sistema.
A equipe de pesquisa internacional, liderada por Vikas Remesh do Grupo de Fotônica do Departamento de Física Experimental da Universidade de Innsbruck e envolvendo pesquisadores da Universidade de Cambridge, da Universidade Johannes Kepler Linz e outras instituições, agora demonstrou uma solução elegante que contorna essas limitações. A abordagem utiliza uma técnica puramente óptica chamada estimulação de excitação de dois fótons para gerar fluxos de fótons em diferentes estados de polarização diretamente de um ponto quântico, sem exigir componentes de comutação ativos. A equipe demonstrou sua técnica gerando estados de dois fótons de alta qualidade com excelentes propriedades de fótons individuais.
“O método funciona primeiro excitando o ponto quântico com pulsos de laser cronometrados com precisão para criar um estado de biexcitona, seguido por pulsos de estimulação controlados por polarização que acionam deterministicamente a emissão de fótons na polarização desejada”, explicam Yusuf Karli e Iker Avila Arenas, os primeiros autores do estudo. “Foi uma experiência fantástica para mim trabalhar no grupo de fotônica para a minha dissertação de mestrado”, lembra Iker Avila Arenas, que fez parte da coorte 2022-2024 do Programa de Mestrado Conjunto Erasmus Mundus em Fotônica para Segurança, Confiabilidade e Segurança e passou 6 meses em Innsbruck.
“O que torna essa abordagem particularmente elegante é que movemos a complexidade de componentes eletrônicos caros e indutores de perda após a emissão de fótons individuais para a fase de excitação óptica, e é um grande passo adiante para tornar as fontes de pontos quânticos mais práticas para aplicações do mundo real”, observa Vikas Remesh, o pesquisador principal do estudo. Olhando para o futuro, os pesquisadores imaginam estender a técnica para gerar fótons com estados de polarização linear arbitrários usando pontos quânticos especialmente projetados.
“O estudo tem aplicações imediatas em protocolos de distribuição de chaves quânticas seguras, onde múltiplos fluxos de fótons independentes podem permitir comunicação segura simultânea com diferentes partes, e em experimentos de interferência de múltiplos fótons, que são muito importantes para testar até mesmo os princípios fundamentais da mecânica quântica”, explica Gregor Weihs, chefe do grupo de pesquisa em fotônica em Innsbruck.
A pesquisa, publicada na npj Quantum Information, representa um esforço colaborativo que envolve expertise em óptica quântica, física de semicondutores e engenharia fotônica. O trabalho foi apoiado pelo Fundo Austríaco de Ciência (FWF), pela Agência Austríaca de Promoção da Pesquisa (FFG) e pelos programas de pesquisa da União Europeia.
