A QuTech, instituição de pesquisa quântica estabelecida em parceria pela Universidade de Tecnologia de Delft e a Organização Holandesa para Pesquisa Científica Aplicada TNO, demonstrou uma interface luz-matéria eficiente e coerente, conectando emissores quânticos de centros de cor de vacância de estanho em diamante a fótons dentro de uma cavidade nano-óptica. O resultado, orientado pelo professor Ronald Hanson, foi publicado na revista Physical Review X. A equipe de pesquisa alcançou uma cooperatividade coerente superior a 1 para centros de cor de vacância de estanho em uma cavidade de cristal fotônico de diamante. Este indicador significa que interações quânticas coerentes úteis podem superar o ruído de decoerência, fornecendo uma base experimental para um "aperto de mão" mais confiável entre qubits de estado sólido e qubits de fótons voadores.
O centro de cor de vacância de estanho é um defeito artificial na rede cristalina do diamante, formado pela combinação de um átomo de estanho com uma vacância de carbono. Ele se comporta como um sistema quântico semelhante a um átomo embutido em um sólido, capaz tanto de transportar informações quânticas quanto de interagir com a luz.
A internet quântica e a computação quântica modular exigem a conexão de dois tipos de portadores quânticos: um são os qubits de matéria de estado sólido em um chip, usados para armazenar e processar informações; o outro são os qubits de fótons, usados para transmitir estados quânticos entre diferentes nós. A dificuldade reside no fato de que os defeitos de estado sólido são afetados pelo ruído do material circundante, e os fótons devem interagir com o emissor com alta fidelidade em um tempo extremamente curto. O simples aumento da luminescência indica apenas uma emissão mais brilhante, não garantindo a coerência necessária para protocolos quânticos. Este trabalho da QuTech incorpora centros de cor de vacância de estanho em uma cavidade de cristal fotônico de diamante, permitindo que a nanocavidade concentre o campo de luz na região do defeito, intensificando a interação entre um único emissor quântico e os fótons, e confirmando, por meio de medições de largura de linha, uma cooperatividade coerente superior a 1.
"Superior a 1" corresponde a um marco experimental importante. Isso indica que a força de acoplamento coerente já é suficiente para superar a influência da decoerência ambiental, e o sistema começa a entrar em uma faixa de operação mais adequada para transmissão de estados quânticos e geração de emaranhamento remoto.
A equipe de pesquisa também demonstrou sinais de escalabilidade na fabricação de dispositivos. Eles mediram 327 dispositivos nanofotônicos de diamante em dois chips, obtendo um alto fator de qualidade médio e um bom rendimento de dispositivos; em dois dispositivos-chave, os centros de cor de vacância de estanho acoplados à cavidade aumentaram significativamente a emissão de fótons no modo óptico alvo. De acordo com o site da QuTech, quando a cavidade óptica é sintonizada em ressonância com o centro de cor de vacância de estanho, um único emissor quântico pode modular fortemente a luz transmitida através da cavidade, aproximando-se de bloquear completamente a transmissão de luz através dela. Isso demonstra que um único emissor quântico de estado sólido já possui forte capacidade de controle sobre campos de luz na escala de fótons individuais, fornecendo uma base de dispositivos para futuras conexões de múltiplos nós quânticos em rede.
As aplicações deste resultado concentram-se em redes quânticas. Os futuros nós quânticos precisarão realizar armazenamento e processamento quântico localmente e, em seguida, enviar informações quânticas para nós remotos por meio de fótons, formando conexões de emaranhamento remoto e computação quântica distribuída.
A vantagem da abordagem dos centros de cor em diamante reside na capacidade de integração em estado sólido e no potencial de interface óptica. Comparados a alguns outros sistemas de centros de cor, os centros de cor de vacância de estanho possuem boas propriedades ópticas e de spin, sendo adequados para a construção de dispositivos em escala de chip voltados para redes quânticas. A nanocavidade óptica desempenha o papel de "amplificar a interação", comprimindo a interação emissor-fóton, que é inerentemente fraca, em um modo óptico de volume menor e maior intensidade de campo. Após a cooperatividade coerente ultrapassar 1, pesquisas futuras podem se concentrar na geração de emaranhamento remoto, nós repetidores quânticos, interconexão de processadores quânticos modulares e interfaces quânticas fotônicas em chip. Ronald Hanson também mencionou, no conteúdo divulgado pela QuTech, que este resultado contribui para a geração mais rápida e confiável de emaranhamento entre nós remotos e é significativo para a colaboração da QuTech com a Fujitsu no avanço da computação quântica modular.
Ainda existem vários desafios de engenharia a serem superados. As redes quânticas exigem um grande número de dispositivos com desempenho consistente; os excelentes indicadores de uma única amostra precisam ser traduzidos em capacidades de fabricação em lote, sintonia estável, operação em baixa temperatura, acoplamento a fibras ópticas, confiabilidade de longo prazo e controle em nível de sistema. A correspondência de frequência entre o centro de cor de vacância de estanho e a cavidade de cristal fotônico, o controle da posição do defeito, a supressão de danos ao material, o gerenciamento do ruído de decoerência e a interconexão de múltiplos nós afetarão a escala subsequente do sistema. Os resultados da medição de 327 dispositivos apresentados pela QuTech fornecem um sinal positivo para a fabricação escalável; a cooperatividade coerente superior a 1 avança a capacidade do dispositivo do estágio de "interface de emissão mais brilhante" para o estágio de "interface capaz de executar protocolos quânticos de alta fidelidade".
Esta pesquisa da QuTech, na Holanda, marca um passo adiante da interface quântica fotônica de centros de cor de vacância de estanho em diamante em direção a redes quânticas práticas. Ela não resolve simplesmente o problema da eficiência de emissão de luz, mas sim a questão de saber se os qubits de estado sólido e os fótons voadores podem realizar interações quânticas confiáveis sob condições de baixo ruído. À medida que a computação quântica se expande de um único chip para arquiteturas modulares, e a internet quântica evolui de links experimentais para redes de múltiplos nós, interfaces luz-matéria eficientes, coerentes e escaláveis como esta se tornarão um componente-chave do hardware subjacente.