Os computadores se beneficiam muito por estarem conectados à internet, então podemos perguntar: De que serve um computador quântico sem uma internet quântica?

O segredo da nossa internet moderna é a capacidade dos dados permanecerem intactos ao viajar por longas distâncias, e a melhor maneira de conseguir isso é usando fótons.

Fótons são unidades únicas ("quanta") de luz. Diferentemente de outras partículas quânticas, os fótons interagem muito fracamente com seu ambiente. Essa estabilidade também os torna extremamente atraentes para transportar informações quânticas por longas distâncias, um processo que requer a manutenção de um delicado estado de emaranhamento por um longo período de tempo. Esses fótons podem ser gerados de várias maneiras.

Um método possível envolve o uso de imperfeições em escala atômica (defeitos quânticos) em cristais para gerar fótons únicos em um estado quântico bem definido.

Décadas de otimização resultaram em cabos de fibra óptica que podem transmitir fótons com perda extremamente baixa. No entanto, essa transmissão de baixa perda funciona apenas para luz em uma faixa estreita de comprimentos de onda, conhecida como " banda de comprimento de onda de telecomunicações ".

Identificar defeitos quânticos que produzem fótons nesses comprimentos de onda tem se mostrado difícil. Pesquisadores da Faculdade de Engenharia da UC Santa Barbara conduziram uma pesquisa para entender o porquê disso e descreveram suas descobertas em " Rational Design of Efficient Defect-Based Quantum Emitters ", publicado no periódico APL Photonics.

"Átomos estão constantemente vibrando, e essas vibrações podem drenar energia de um emissor de luz", diz o professor de materiais da UCSB Chris Van de Walle. "Como resultado, em vez de emitir um fóton, um defeito pode fazer com que os átomos vibrem, reduzindo a eficiência da emissão de luz."

O grupo de Van de Walle desenvolveu modelos teóricos para capturar o papel das vibrações atômicas no processo de emissão de fótons e estudou o papel de várias propriedades de defeitos na determinação do grau de eficiência.

O trabalho deles explica por que a eficiência da emissão de fótons únicos diminui drasticamente quando o comprimento de onda da emissão aumenta além dos comprimentos de onda da luz visível (violeta para vermelho) para os comprimentos de onda infravermelhos na banda de telecomunicações. O modelo também permite que os pesquisadores identifiquem técnicas para projetar emissores que sejam mais brilhantes e mais eficientes.

"Escolher cuidadosamente o material hospedeiro e conduzir a engenharia em nível atômico das propriedades vibracionais são duas maneiras promissoras de superar a baixa eficiência", disse Mark Turiansky, pesquisador de pós-doutorado no laboratório Van de Walle, membro da NSF UC Santa Barbara Quantum Foundry e pesquisador principal do projeto.

Outra solução envolve o acoplamento a uma cavidade fotônica, uma abordagem que se beneficiou da experiência de dois outros afiliados da Quantum Foundry: o professor de engenharia da computação Galan Moody e Kamyar Parto, um estudante de pós-graduação no laboratório de Moody.

A equipe espera que seu modelo e os insights que ele fornece sejam úteis no projeto de novos emissores quânticos que alimentarão as redes quânticas do futuro.