Dois passos mais perto da computação com luz: Porta lógica e circuito integrado ópticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/08/2024

O componente de luz opera em temperatura ambiente, tem múltiplas entradas e funciona centenas de vezes mais rápido do que os equivalentes eletrônicos.
[Imagem: Denis A. Sannikov et al. - 10.1038/s41467-024-49690-3]

Porta lógica de luz

Uma equipe da Alemanha e da Rússia criou um dispositivo lógico universal do tipo NOR (de NOT, um operador de negação, e OR, um operador de disjunção) totalmente óptico.

O dispositivo opera em temperatura ambiente, tem múltiplas entradas e funciona centenas de vezes mais rápido do que seus equivalentes eletrônicos. E, como o comprimento de onda da luz seria grande demais para ele, o componente lógico funciona com base em polaritons, que são partículas híbridas formadas pelo acoplamento de luz e matéria, geralmente descritas como um "fluido quântico de luz", que pode ser controlado através do seu componente de matéria - o nome técnico dessa luz líquida é "condensado de polaritons".

O mais importante é que elementos lógicos desse tipo podem ser conectados em cascata, formando circuitos capazes de computação complexa e geral, tudo completamente óptico, ou seja, sem a necessidade de corrente elétrica - essa arquitetura alternativa, muito mais rápida e com consumo mínimo de energia, é conhecida como computação óptica, ou computação fotônica.

"Por que [um componente] óptico é melhor? Mais importante, porque ele não é limitado a uma frequência de clock de alguns GHz. Podemos trabalhar com transistores de polariton com uma frequência de até 1 THz, que é cerca de 300 vezes mais rápido do que os análogos eletrônicos," disse o professor Denis Sannikov, do Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo.

Outra vantagem competitiva crucial desta nova tecnologia é que o dispositivo lógico óptico tem 12 entradas. Em comparação, portas lógicas eletrônicas tipicamente têm entre 2 e 8 entradas, e apenas 1 ou 2 saídas.

O feito é um passo adiante nas pesquisas da própria equipe, que já havia criado um transístor de luz 1.000 vezes mais rápido e, mais recentemente, demonstrado a computação com luz a temperatura ambiente.

Circuito fotônico demonstrado pela equipe (esquerda) e esquema da inovação.
[Imagem: Chen-Lung Hung]

Circuito integrado de luz

Xinchao Zhou e colegas da Universidade de Purdue, nos EUA, também inovaram no campo dos componentes lógicos que funcionam com luz, só que em um nível mais futurista, de menor prontidão tecnológica.

Eles criaram um circuito integrado fotônico usando átomos aprisionados por feixes de luz, e esses átomos funcionam como transistores ópticos, transistores que operam com fótons, em vez de com elétrons.

Além da computação convencional, esses átomos aprisionados demonstram o potencial de construir uma rede quântica baseada em circuitos integrados de luz usando uma plataforma de átomos frios.

"Nós desenvolvemos uma técnica para usar lasers para resfriar e prender firmemente átomos em um circuito nanofotônico integrado, onde a luz se propaga em um pequeno 'fio' fotônico ou, mais precisamente, um guia de ondas que é mais de 200 vezes mais fino que um fio de cabelo humano," explicou o professor Chen-Lung Hung. "A essa distância, os átomos podem interagir muito eficientemente com fótons confinados no guia de ondas fotônico. Usando instrumentos de nanofabricação de última geração, nós modelamos o guia de ondas fotônico em um formato circular, com um diâmetro de cerca de 30 micrômetros (três vezes menor que um fio de cabelo humano) para formar um chamado ressonador de microanel. A luz circula dentro do ressonador de microanel e interage com os átomos presos."

O principal aspecto desta demonstração é que este ressonador de microanéis acoplado aos átomos serve como um transístor para fótons porque os átomos presos podem ser usados para bloquear o fluxo de luz através do circuito. Se os átomos estiverem no estado correto, os fótons podem transmitir através do circuito (um "1" digital), ou serem bloqueados (um "0" digital) se os átomos estiverem em outro estado. Quanto mais fortemente os átomos interagem com os fótons, mais eficiente é esta porta lógica.

E n ão é apenas mais um transístor óptico porque a equipe conseguiu aprisionar simultaneamente 70 átomos, formando efetivamente um circuito integrado fotônico, uma novidade mundial no campo da computação fotônica, ainda que em uma configuração de laboratório, não integrada ou miniaturizada.

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