Eletrônica

Este chip permite que a luz fale com a matéria

Este chip permite que a luz fale com a matéria
Este é um avanço rumo à computação quântica no silício - a mesma tecnologia da eletrônica atual. [Imagem: Princeton University]

Conversa quântica

Este chip é a coroação de um esforço que vem sendo perseguido por inúmeras equipes ao redor do mundo nos últimos 20 anos.

Em seu interior, um único elétron, parte integrante de um material sólido, troca informações com um único fóton, o "representante mínimo" da luz.

Qualquer que seja sua arquitetura final, este certamente será um componente integrante dos processadores e dos computadores do futuro - sejam processadores clássicos, mas fotônicos, que funcionem com luz em vez de eletricidade, sejam os processadores quânticos.

"Exatamente como nas interações humanas, para ter uma boa comunicação são necessários alguns pré-requisitos - falar o mesmo idioma ajuda, e assim por diante. Nós fomos capazes de colocar a energia do estado eletrônico em ressonância com a partícula de luz, para que os dois possam conversar um com o outro," explicou o professor Jason Petta, da Universidade de Princeton, nos EUA.

Com esta conexão entre as duas partículas elementares, o elétron pode passar informação para a partícula de luz que, por sua vez, pode levá-la para outros elétrons, criando conexões que deverão ser a base de um processador quântico - por exemplo, um processador que use qubits dentro de nanodiamantes.

Computação quântica no silício

Uma grande vantagem desta tecnologia é que ela impulsiona a construção de processadores quânticos baseados no silício. Sendo a tecnologia da eletrônica atual, há muitos ganhos em desenvolver uma arquitetura quântica no silício, mas os desafios têm feito com que essa arquitetura siga atrás de opções como os qubits de íons aprisionados por laser, em supercondutores e nas vacâncias de nitrogênio no interior dos diamantes.

Este chip permite que a luz fale com a matéria
O elétron individual fica preso abaixo da superfície do chip de silício (cinza). Os nanofios verde, rosa e roxo controlam o elétron e ainda o protegem de interferências externas. [Imagem: Jason Petta Group]

Para evitar a perda das informações - um dos maiores desafios para a computação quântica - a equipe fabricou um chip com camadas de silício e de uma liga de silício-germânio, uma estrutura que consegue manter uma camada de elétrons presos à sua superfície. Essa superfície recebeu nanofios metálicos que permitem gerar um gradiente de tensões elétricas que controlam os elétrons com uma precisão tal que torna-se possível isolar elétrons individuais - o elétron isolado compõe o que os físicos chamam de ponto quântico duplo.

Com o elétron preso, os nanofios são usados para ajustar o nível de energia do elétron até que ele coincida com a energia do fóton, que por sua vez já foi adequadamente aprisionado em uma cavidade supercondutora acima da pastilha de silício.

Troca de dados entre qubits

Os nanofios também protegem o qubit. Como resultado, os qubits são de 100 a 1.000 vezes menos sensíveis ao ruído externo do que os usados em demonstrações anteriores.

E, até agora, só tinha sido possível acoplar qubits no silício a qubits vizinhos. Com a conexão com o fóton, torna-se possível trocar informações entre quaisquer dois qubits, mesmo que eles estejam em extremidades opostas do chip.

"Agora podemos realmente transmitir o estado quântico para um fóton confinado na cavidade. Isso nunca foi feito antes em um dispositivo semicondutor porque o estado quântico era perdido antes de poder transferir suas informações," disse Xiao Mi, principal responsável pela construção do chip.

Bibliografia:

Strong coupling of a single electron in silicon to a microwave photon
Xiao Mi, J. V. Cady, D. M. Zajac, P. W. Deelman, Jason R. Petta
Science
DOI: 10.1126/science.aal2469




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