No átomo, a informação foi armazenada durante algum tempo e recuperada mais tarde.
"Isso nos dá um nó de uma rede quântica universal", comemora o Dr. Gerhard Rempe, do Instituto Max-Planck de Óptica Quântica, coordenador do trabalho.
O experimento abre novas perspectivas para o desenvolvimento de redes quânticas escaláveis, nas quais os fótons comunicam informação quântica entre vários nós, a longas distâncias.
Memória quântica
Em uma série de medições usando diferentes estados de polarização na entrada, a fidelidade entre os fótons originais e os fótons lidos mostrou-se superior a 90 por cento em todos os casos.
"A fidelidade com o fóton de entrada que nós conseguimos com o nosso novo método é muito melhor do que aquilo que seria possível com qualquer tipo de dispositivo de medição clássica," afirma Christian Nölleke, coautor do trabalho.
Considerando a eficiência de armazenamento e a fidelidade alcançadas, o sistema é comparável às melhores memórias quânticas já construídas, com a diferença que o seu "hardware" consiste em apenas um único átomo.
Ao mesmo tempo, a memória atômica oferece tempos de armazenamento de cerca de 200 microssegundos, o que ultrapassa todos os valores obtidos com memórias ópticas até o momento.
Memória atômica
A miniaturização contínua dos componentes usados para armazenar informações no interior dos chips alcançou um limite a partir de onde as leis da física clássica não podem mais ser aplicadas.
Em vez disso, os sistemas são regidos pelas leis da mecânica quântica.
Neste limite físico, o menor dispositivo de armazenamento possível consiste de um único átomo, enquanto a menor unidade possível para a transferência de dados óptica é um único fóton.
As propriedades especiais dessas partículas quânticas podem então ser usadas para desenvolver novas aplicações, por exemplo, dispositivos de criptografia quântica ou portas lógicas para processar a informação quântica, atingindo velocidades inimagináveis.
A implementação dessas novas tecnologias requer novos conceitos de transferência e armazenamento de informações.
E o candidato mais promissor é a implementação de uma rede de memórias quânticas distribuídas comunicando-se umas com as outras através da troca de fótons.
Informação da luz para a matéria
Este desenvolvimento exige dois elementos principais.
O primeiro, a transferência da informação quântica armazenada em um nó de memória para um único fóton, já foi demonstrado pela mesma equipe, com a implementação de um emissor de fótons individuais baseado em um único átomo.
O segundo, escrever um qubit fotônico em uma outra memória quântica estacionária, e ler esse qubit novamente, sem distorção significativa, tem sido realizado até agora somente através de experiências com conjuntos formados por milhares de partículas, com a informação sendo mapeada em uma excitação atômica compartilhada pelo conjunto de átomos.
* Memória óptica armazena e recupera pulsos de luz individuais
A fim de tirar vantagem integral das oportunidades oferecidas pela mecânica quântica, criando implementações práticas - por exemplo, em computadores quânticos - seria muito melhor trocar informações entre as partículas individuais de luz e de matéria - fótons e átomos - que possam ser dirigidas e manipuladas diretamente.
Gravação na memória atômica
No experimento agora realizado, um único átomo de rubídio foi utilizado pela primeira vez como uma memória quântica.
A fim de aumentar seu fraco acoplamento a um único fóton, o átomo é aprisionado dentro de um ressonador óptico, formado por dois espelhos altamente refletores.
Lá, o átomo é mantido no lugar com a luz de um laser, enquanto o fóton que entra é refletido entre os dois espelhos cerca de 20.000 vezes.
Agora, a informação quântica armazenada no fóton precisa ser escrita no átomo.
"Enquanto um bit clássico sempre representa inequivocamente um dentre dois valores possíveis - 0 ou 1 -, um bit quântico é a superposição coerente de dois estados quânticos," explica o Dr. Holger Specht, coautor da pesquisa. "Assim, nós codificamos a informação usando uma superposição coerente de dois estados de polarização do fóton, por exemplo, uma polarização à direita e outra à esquerda."
A transferência da informação óptica quântica é garantida por um laser de controle: quando tanto o qubit fotônico quanto o laser de controle estão presentes, o átomo faz uma transição para um estado que é - e é aí que está o truque - uma superposição coerente de dois sub-estados.
As quantidades relativas dos dois sub-estados correspondem aos respectivos valores dos dois estados de polarização do fóton de entrada.
Leitura da memória atômica
Depois de um tempo variável de armazenamento, a leitura da informação quântica é iniciada, um trabalho também executado pelo laser de controle.
Agora, todo o processo se inverte e o qubit fotônico é liberado, com uma eficiência média de cerca de 10 por cento.
"Ainda há espaço para melhorar os tempos de fidelidade e de armazenamento por meio da otimização das condições experimentais," explica o Dr. Stephan Ritter.
A seguir, os cientistas planejam usar o sistema para demonstrar uma rede quântica básica, formada por dois nós de comunicação.
Devido às suas propriedades universais, a memória quântica agora demonstrada é um marco para o desenvolvimento de portas lógicas ópticas e repetidores quânticos.
Estes dispositivos são requisitos fundamentais para o processamento de informações em um computador quântico e para a implementação de comunicações quânticas de longa distância.
Fonte: Olivia Meyer-Streng
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