Internet quântica liberada com o avanço do laser HiFi

A conversão de frequência quântica, crucial para uma Internet quântica global, está sendo avançada pelo projeto HiFi, que aborda incompatibilidades de comprimento de onda e estabiliza as comunicações quânticas. Crédito: SciTechDaily.com

Fraunhofer IAF atinge potência de saída recorde com VECSEL para conversores de frequência quânticos.

A expansão da fibra óptica está a progredir em todo o mundo, o que não só aumenta a largura de banda das ligações convencionais à Internet, mas também aproxima a realização de uma Internet quântica global. A Internet quântica pode ajudar a explorar plenamente o potencial de certas tecnologias. Estes incluem muito mais poderosos

Computação quântica

Realização de computação usando fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">computação quântica através da ligação de processadores e registos quânticos, comunicação mais segura através da distribuição de chaves quânticas ou medições de tempo mais precisas através da sincronização de relógios atómicos. No entanto, as diferenças entre o padrão de fibra de vidro de 1550 nm e os comprimentos de onda do sistema dos vários bits quânticos (qubits) realizados até o momento representam um obstáculo, porque esses qubits estão principalmente na faixa espectral do visível ou do infravermelho próximo. Os pesquisadores querem superar esse obstáculo com a ajuda da conversão quântica de frequência, que pode alterar especificamente as frequências dos fótons, mantendo todas as outras propriedades quânticas. Isso permite a conversão para a faixa de telecomunicações de 1550 nm para transmissão de estados quânticos de longo alcance e baixa perda.

Configuração VECSEL para o desenvolvimento de uma fonte de bomba de baixo ruído para conversão quântica de frequência. Crédito: © Fraunhofer IAF

Projeto HiFi: Habilitando tecnologias para conversão de frequência quântica

No projeto conjunto “HiFi — Conversor de frequência quântica altamente integrado de alta fidelidade baseado em tecnologia inovadora de laser, fibra e produção” financiado pelo Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF), os pesquisadores estão trabalhando na realização de todas as tecnologias necessárias para fornecer conversores de frequência quântica (QFK) com alta eficiência e baixo ruído para trilhas de teste iniciais. O Instituto Fraunhofer de Física Aplicada do Estado Sólido IAF contribuiu para o projeto com o desenvolvimento bem-sucedido de lasers de disco (também conhecidos como lasers emissores de superfície de cavidade vertical externa, VECSELs) baseados em antimoneto de gálio (GaSb). Estes são lasers semicondutores emissores de superfície, bombeados opticamente, com um ressonador externo e filtro intracavitário para seleção de comprimento de onda.

Módulo VECSEL monomodo com potência de saída de até 2,4 W para a faixa de frequência entre 1,9 e 2,5 µm, desenvolvido como fonte de bomba para conversores de frequência quânticos. Crédito: © Fraunhofer IAF

Potência de saída de 2,4 W com estabilidade absoluta de frequência abaixo de 100 kHz

“Os VECSELs que desenvolvemos como parte do HiFi são fontes de bomba espectralmente de banda estreita que, dependendo do comprimento de onda de saída dos qubits usados, cobrem especificamente um comprimento de onda entre 1,9 e 2,5 µm e atingem uma potência de saída de até 2,4 W com uma potência absoluta. estabilidade de comprimento de onda inferior a 2 fm. Isto corresponde a uma estabilidade de frequência inferior a 100 kHz e cai claramente abaixo da classe de estabilidade de frequência 1E-9. O resultado representa um recorde internacional para este tipo de laser”, explica o Dr. Marcel Rattunde, coordenador do subprojeto HiFi e chefe do departamento de optoeletrônica da Fraunhofer IAF. “O resultado foi possível graças à estreita cooperação com o parceiro do projeto MENLO Systems GmbH. Juntos, travamos o disco laser em um pente de frequência, que por sua vez foi acoplado a uma referência de 10 MHz”, enfatiza Rattunde. Em seus experimentos, os pesquisadores definiram o comprimento de onda de emissão exatamente no comprimento de onda alvo para experimentos de demonstração no link de fibra da Universidade de Saarland (2.062,40 nm), para a qual Fraunhofer IAF entregou o módulo de laser. Além do escalonamento de potência, as tarefas de pesquisa mais importantes do Fraunhofer IAF no projeto HiFi são a compreensão precisa do comportamento do modo dos lasers e a identificação e eliminação de fontes de ruído.

Conversão de frequência quântica usando lasers de bomba

Na conversão quântica de frequência, a energia da bomba

fóton

Um fóton é uma partícula de luz. É a unidade básica da luz e de outras radiações eletromagnéticas e é responsável pela força eletromagnética, uma das quatro forças fundamentais da natureza. Os fótons não têm massa, mas têm energia e momento. Eles viajam à velocidade da luz no vácuo e podem ter diferentes comprimentos de onda, que correspondem a diferentes cores de luz. Os fótons também podem ter energias diferentes, que correspondem a diferentes frequências de luz.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">fóton é subtraído do fóton de sinal por um processo de diferença de frequência em um cristal óptico não linear. Para garantir um processo de baixo ruído, a energia dos fótons da bomba deve estar abaixo do comprimento de onda alvo (geralmente 1550 nm), caso contrário, o laser da bomba pode gerar fótons no sinal de saída devido a efeitos parasitas. Em combinação com o pente de frequência MENLO, os VECSELs desenvolvidos no Fraunhofer IAF atendem aos altos requisitos de conversão de frequência quântica, pois sua largura de banda estreita e estabilidade de comprimento de onda evitam flutuações no comprimento de onda da bomba e, consequentemente, mudanças no comprimento de onda alvo dos qubits. Se houver um desvio acima da largura de linha natural, os qubits não seriam mais indistinguíveis, o que eliminaria um requisito básico para o processamento mecânico quântico subsequente.

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Revolucionando a Computação com Valleytronics

Pesquisadores do ICFO descobriram um novo método para controlar vales de elétrons em materiais a granel, potencialmente revolucionando a forma como a informação é codificada e manipulada na computação e nas tecnologias quânticas. Ilustração artística do campo de trevo incidente no material a granel MoS2.

Os elétrons em materiais sólidos estão restritos a níveis de energia específicos, conhecidos como “bandas”. O espaço entre essas bandas, as energias proibidas, são conhecidas como “lacunas de bandas”. Ambos juntos constituem a “estrutura de banda” do material, que é uma característica única de cada material específico. Quando os físicos traçam a estrutura de bandas, geralmente veem que as curvas resultantes se assemelham a montanhas e vales. Na verdade, o termo técnico para um máximo ou mínimo de energia local nas bandas é chamado de “vale”, e o campo que estuda e explora como os elétrons no material mudam de um vale para outro é denominado “valleytrônica”. Na eletrônica de semicondutores padrão, a carga elétrica dos elétrons é a propriedade mais utilizada para codificar e manipular informações. Mas estas partículas têm outras propriedades que também poderiam ser utilizadas para o mesmo fim, como o vale em que se encontram. Na última década, o principal objectivo da valetrónica tem sido alcançar o controlo da população do vale (também conhecido como polarização do vale). ) em materiais. Tal conquista poderia ser usada para criar portas e bits clássicos e quânticos, algo que poderia realmente impulsionar o desenvolvimento da computação e do processamento de informações quânticas. As tentativas anteriores apresentaram várias desvantagens. Por exemplo, a luz usada para manipular e alterar a polarização do vale tinha que ser ressonante, ou seja, a energia dos seus fótons (as partículas que constituem a luz) tinha que corresponder exatamente à energia do band gap daquele material específico. Qualquer pequeno desvio reduzia a eficiência do método, portanto, desde que cada material tivesse seus próprios band gaps, generalizar o mecanismo proposto parecia algo fora de alcance. Além disso, este processo só foi alcançado para estruturas monocamadas (materiais 2D, apenas uma

átomo

Um átomo é o menor componente de um elemento. É composto de prótons e nêutrons dentro do núcleo e elétrons circulando o núcleo.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">atom-espesso). Este requisito dificultou a sua implementação prática, uma vez que as monocamadas são geralmente limitadas em tamanho, qualidade e difíceis de projetar.

Esquema do efeito de polarização de vale, onde o campo de trevo incidente (em roxo) causa polarização de vale no material a granel MoS2. Este efeito pode ser controlado girando o campo em relação ao material. Crédito: ICFO

Agora, os pesquisadores do ICFO Igor Tyulnev, Julita Poborska e Dr. Lenard Vamos, liderados pelo Prof. ICREA Jens Biegert, em colaboração com pesquisadores do Max-Born-Institute, do Instituto Max-Planck para a Ciência da Luz e do Instituto de A Ciencia de Materiales de Madrid encontrou um novo método universal para induzir a polarização do vale em materiais a granel centrossimétricos. A descoberta, publicada em Natureza, abre a possibilidade de controlar e manipular a população do vale sem ser restringido pelo material específico escolhido. Ao mesmo tempo, o método pode ser utilizado para obter uma caracterização mais detalhada de cristais e materiais 2D.

A polarização Valley em materiais a granel é possível

A aventura começou com o grupo experimental liderado pelo Prof. do ICREA no ICFO Jens Biegert que inicialmente queria produzir experimentalmente a polarização de vale usando seu método particular em materiais 2D, seguindo as linhas do que havia sido teoricamente provado em um artigo teórico anterior de Álvaro Jiménez, Rui Silva e Misha Ivanov. Para configurar o experimento, a medição inicial foi tentada em massa MoS₂ (um material a granel é feito de muitas monocamadas empilhadas juntas) com o resultado surpreendente de que eles viram a assinatura da polarização do vale. “Quando começamos a trabalhar neste projeto, nossos colaboradores teóricos nos disseram que mostrar a polarização do vale em materiais a granel era bastante impossível”, explica Julita Poborska. A equipe teórica também observa como, no início, seu modelo era adequado apenas para camadas 2D únicas. “À primeira vista, parecia que adicionar mais camadas dificultaria a seleção de vales específicos na amostra. Mas após os primeiros resultados experimentais, ajustamos a simulação para materiais a granel e validamos as observações surpreendentemente bem. Nem tentamos encaixar nada. Foi assim que surgiu”, acrescenta o Prof. Misha Ivanov, o líder teórico. No final, “descobriu-se que sim, é possível realmente polarizar em vale materiais a granel que são simétricos centrais, devido às condições de simetria”, conclui Poborska.

Pesquisadores do ICFO. Da esquerda para a direita: Dr. Lenard Vamos, Julita Poborska, Igor Tyulnev e Prof. ICREA Jens Biegert. Crédito: ICFO

Como explica Igor Tyulnev, primeiro autor do artigo: “Nossa experiência consistiu em criar um pulso de luz intenso com uma polarização que se ajustasse a essa estrutura interna. O resultado foi o chamado “campo de trevo”, cuja simetria correspondia às sub-redes triangulares que constituem materiais hexagonais heteroatômicos.” Este campo forte de simetria correspondente quebra a simetria de espaço e tempo dentro do material e, mais importante, a configuração resultante depende da orientação do campo do trevo em relação ao material. Portanto, “simplesmente girando o campo de luz incidente, fomos capazes de modular a polarização do vale”, conclui Tyulnev, uma grande conquista na área e uma confirmação de uma nova técnica universal que pode controlar e manipular os vales de elétrons em materiais a granel.

O processo experimental

O experimento pode ser explicado em três etapas principais: Primeiro, a síntese do campo do trevo; depois a sua caracterização; e, finalmente, a produção real da polarização do vale. Os pesquisadores enfatizam a precisão incrivelmente alta que o processo de caracterização exigia, já que o campo do trevo é composto não apenas por um, mas por dois campos ópticos combinados de forma coerente. Um deles deveria ser polarizado circularmente em uma direção, e o outro precisava ser o segundo harmônico do primeiro feixe, polarizado com lateralidade oposta. Eles sobrepuseram esses campos uns aos outros, de modo que a polarização total no tempo traçasse a forma desejada do trevo. Três anos após as primeiras tentativas experimentais, Igor Tyulnev está entusiasmado com a recente Natureza publicação. A aparição numa revista tão prestigiada reconhece o novo método universal que, como afirma, “pode ser usado não apenas para controlar as propriedades de uma ampla variedade de produtos químicos

espécies

Uma espécie é um grupo de organismos vivos que compartilham um conjunto de características comuns e são capazes de procriar e produzir descendentes férteis. O conceito de espécie é importante na biologia, pois é usado para classificar e organizar a diversidade da vida. Existem diferentes formas de definir uma espécie, mas a mais amplamente aceita é o conceito biológico de espécie, que define uma espécie como um grupo de organismos que podem cruzar e produzir descendentes viáveis ​​na natureza. Esta definição é amplamente utilizada na biologia evolutiva e na ecologia para identificar e classificar organismos vivos.

" dados-gt-translate-attributes="[{["atributo":"data-cmtooltip", "formatar":"HTML"]" tabindex="0" role="link">espéciesmas também para caracterizar cristais e materiais 2D”.. Como observa o Prof. ICREA do ICFO Jens Biegert: “Nosso método pode fornecer um ingrediente importante para projetar materiais energeticamente eficientes para armazenamento eficiente de informações e troca rápida. Isso atende à necessidade premente de dispositivos de baixo consumo de energia e maior velocidade computacional. Não posso prometer que o que fornecemos seja A solução, mas é provavelmente uma solução para este grande desafio.” Referência: “Valleytronics in bulk MoS2 com um campo óptico topológico” por Igor Tyulnev, Álvaro Jiménez-Galán, Julita Poborska, Lenard Vamos, Philip St. J. Russell, Francesco Tani, Olga Smirnova, Misha Ivanov, Rui EF Silva e Jens Biegert , 24 de abril de 2024, Natureza. DOI: 10.1038/s41586-024-07156-y https://w3b.com.br/revolucionando-a-computacao-com-valleytronics/?feed_id=5319&_unique_id=664a710162b51