À medida que os computadores quânticos se tornam mais poderosos, muitos métodos de criptografia atuais podem eventualmente tornar-se fracos. Uma solução promissora é a criptografia quântica, que se baseia nas leis da física, e não na complexidade matemática, para manter os dados seguros. No entanto, tornar a comunicação quântica prática requer dispositivos pequenos e confiáveis que possam ler com precisão os sinais quânticos sutis transportados pela luz.
Pesquisadores da Universidade de Pádua, do Politecnico di Milano e do Instituto CNR de Fotônica e Nanotecnologias demonstraram uma nova abordagem usando um material inesperado: o vidro borossilicato. foi relatado Fotônica avançadaSua pesquisa descreve um receptor quântico coerente de alto desempenho construído diretamente dentro do vidro usando gravação a laser de femtosegundo. Essa abordagem oferece baixa perda óptica, desempenho estável e compatibilidade com sistemas de fibra óptica existentes, todos essenciais para levar a tecnologia quântica além dos experimentos de laboratório.
Por que o vidro supera o silício em dispositivos quânticos
O processamento de informações quânticas de variável contínua (CV), usado na distribuição quântica de chaves (QKD) e na geração quântica de números aleatórios (QRNG), depende da medição da amplitude e da fase das ondas de luz. Para fazer isso, um receptor coerente combina um sinal quântico fraco com um feixe de referência forte e analisa como eles interferem.
A maioria dos receptores integrados atuais são feitos de silício. Embora o silício seja amplamente utilizado e suporte alta integração, ele é sensível à polarização e sujeito a altas perdas ópticas, o que pode limitar o desempenho e a confiabilidade em sistemas quânticos.
O vidro oferece diversas vantagens. É inerentemente sensível à polarização, altamente estável e permite a escrita de guias de onda em três dimensões com perda mínima de sinal. Usando microusinagem a laser de femtosegundo, os pesquisadores podem criar caminhos guiadores de luz diretamente dentro do material, formando circuitos fotônicos compactos sem a complexidade da fabricação de semicondutores.
Dentro do receptor quântico escrito a laser
A equipe construiu um receptor heteródino totalmente sintonizável, um componente chave para CV-QKD e CV-QRNG, escrevendo circuitos ópticos diretamente dentro do vidro de borosilicato. O chip inclui:
- Divisores de feixe fixos e ajustáveis
- Deslocador de fase termo-óptico para controle elétrico preciso
- Travessia tridimensional de guia de ondas
- Acoplador direcional independente de polarização
Estas propriedades permitem que o sinal quântico e o feixe de referência interajam de forma controlada, possibilitando a medição simultânea de dois quadrantes conjugados. O dispositivo também mostra:
- Perda de inserção extremamente baixa (≈1 dB)
- Operação independente de polarização
- A taxa de rejeição de modo comum está acima de 73 dB, indicando forte supressão de ruído clássico
- Desempenho estável de sinal-ruído por pelo menos 8 horas
No geral, esses resultados correspondem ou excedem o desempenho de muitos receptores fotônicos baseados em silício.
Um chip, duas tecnologias quânticas
Como o dispositivo combina baixa perda, capacidade de ajuste e estabilidade, ele pode lidar com múltiplas tarefas de comunicação quântica sem exigir hardware diferente. Quando usado como um detector heteródino, ele permite um sistema QRNG independente do dispositivo de origem, o que significa que está protegido mesmo que o sinal óptico de entrada não seja confiável. O chip alcançou uma taxa segura de geração de bits aleatórios de 42,7 Gbit/s, estabelecendo um recorde para tal sistema.
O mesmo chip também foi usado para um protocolo CV-QKD baseado em QPSK, onde as informações são codificadas em constelações de estados quânticos de quatro pontos. Em um link de fibra simulado de 9,3 km, o sistema atingiu uma taxa de chave secreta de 3,2 Mbit/s. Esses resultados demonstram que um front-end fotônico baseado em vidro pode suportar CV-QKD avançado sem os defeitos observados em plataformas de silício.
A fotônica do vidro avança em direção ao uso no mundo real
Além do desempenho robusto, a pesquisa destaca várias vantagens práticas do uso de vidro em fotônica quântica integrada:
- Estabilidade Ambiental: O vidro é inerte e resistente à temperatura e às mudanças mecânicas.
- Acoplamento de fibra de baixa perda: os guias de onda correspondem perfeitamente ao tamanho das fibras de telecomunicações padrão.
- Flexibilidade de projeto 3D: Os circuitos podem incorporar cruzamentos e layouts complexos sem perda adicional de sinal.
- Escalabilidade e economia: a escrita a laser de femtossegundos permite prototipagem rápida sem fabricação dispendiosa de semicondutores.
Essas qualidades suportam confiabilidade e durabilidade a longo prazo, que são importantes para implantações no mundo real e até mesmo para uso potencial em sistemas de comunicação quântica baseados no espaço. Os pesquisadores observam que a fotônica baseada em vidro poderia ajudar a preencher a lacuna entre as configurações experimentais e as redes quânticas práticas.
Rumo a redes de comunicação quântica escaláveis
Explorando essas vantagens, a equipe demonstrou duas aplicações principais em um único chip: um QRNG independente do dispositivo de origem com uma taxa de geração segura recorde de 42,7 Gbit/s e um sistema CV-QKD baseado em QPSK que alcançou uma taxa de chave segura de 3,2 Mbit/s em uma Fibra 9 simulada.
Além desses resultados, o trabalho aponta para a fotônica integrada à base de vidro como uma plataforma sustentável e versátil para futuras tecnologias quânticas. O Glass é estável, econômico e resistente a ambientes agressivos, o que o torna adequado para implantações escaláveis. Esta abordagem poderia ajudar na transição da comunicação quântica de ambientes controlados de laboratório para infraestrutura do mundo real, marcando um passo importante na criação de uma rede quântica global.
