A Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) anunciou o desenvolvimento de uma fonte de fótons únicos que opera em temperatura ambiente, integrada em um dispositivo compacto montado em rack de 19 polegadas. O sistema, que não requer resfriamento criogênico, é projetado como um dispositivo plug-and-play, funcionando imediatamente ao ser ligado, o que pode levar a um uso prático em locais reais, como hospitais e centros de segurança.

Inovações na tecnologia de fótons quânticos

Uma fonte de fótons únicos é um equipamento que gera partículas de luz, ou fótons, um de cada vez, servindo como ponto de partida para tecnologias quânticas baseadas em fótons, incluindo comunicação quântica, sensoriamento quântico e medição quântica. Na comunicação quântica, a informação é codificada em fótons individuais, e qualquer tentativa de espionagem altera o estado do fóton, deixando um rastro detectável. Até agora, fontes convencionais exigiam temperaturas criogênicas em torno de -270°C, mesas ópticas do tamanho de uma sala e especialistas para operá-las, limitando sua implementação fora dos laboratórios.

Transição do laboratório para o uso prático

Os pesquisadores da KRISS implementaram uma fonte de fótons únicos baseada em semicondutores de nitreto de gálio (GaN) como um dispositivo plug-and-play que funciona em temperatura ambiente. O sistema é alimentado por uma fonte de energia padrão de 220 V e gera fótons individuais sem a necessidade de alinhamento óptico complexo. Sua forma compacta facilita a conexão com equipamentos existentes de distribuição de chaves quânticas (QKD) e permite instalação e operação no local.

A tecnologia utiliza pequenos defeitos que se formam naturalmente no semicondutor de GaN. Quando a energia é aplicada a um desses defeitos, ele emite fótons um de cada vez. No entanto, devido à escala atômica e à distribuição aleatória dos defeitos, a reutilização de uma posição específica era um desafio. A KRISS desenvolveu uma técnica de mapeamento espacial determinístico que registra cada local de emissão, permitindo que o dispositivo retorne automaticamente ao mesmo ponto mesmo após ser desligado e ligado novamente.

A equipe liderada pelo Professor Lee Wook-Jae, da Universidade Nacional de Kongju, colaboradora no projeto, projetou e fabricou redes de Bragg circulares em escala nanométrica na superfície do semicondutor que direcionam os fótons para cima, maximizando a eficiência de extração dos fótons emitidos pelos defeitos.

Impulsionando a competitividade nacional em tecnologia quântica

Com a crescente competição global em tecnologia quântica, garantir equipamentos e componentes fundamentais se tornou uma questão de competitividade nacional. Este avanço representa a localização de materiais, peças e equipamentos quânticos no país, transformando a fonte de fótons únicos em um dispositivo totalmente desenvolvido com tecnologia nacional. A KRISS está buscando a comercialização em colaboração com sua empresa derivada, QRAD Inc.

Além de produzir fontes de fótons únicos, a KRISS opera a única plataforma de luz quântica integrada na Coreia, conectando a verificação da qualidade da fonte com desenvolvimento e melhorias. O grupo de pesquisa também busca aumentar a credibilidade internacional por meio de comparações e validações com institutos de metrologia no exterior, como o PTB (Instituto Federal de Metrologia da Alemanha) e o INRIM (Instituto Nacional de Metrologia da Itália).

"Fontes de fótons únicos são componentes essenciais das tecnologias quânticas baseadas em fótons, mas há muito tempo estavam restritas a laboratórios criogênicos", afirmou o Dr. Hong Keesuk, cientista principal da KRISS. "A importância desse feito está em transformar a fonte em um dispositivo que funcione em temperatura ambiente, reduzindo significativamente a barreira para o uso no mundo real."