Da esquerda para a direita: os estudantes Kevin Miao, Chris Anderson e Alexandre Bourassa monitoram experimentos quânticos na Pritzker School of Molecular Engineering. (Créditos da imagem: David Awschalom).

Após décadas de miniaturização, os componentes eletrônicos nos quais confiamos em computadores e tecnologias modernas estão começando a atingir limites fundamentais. Diante desse desafio, engenheiros e cientistas de todo o mundo estão se voltando para um paradigma radicalmente novo: as tecnologias da informação quântica.

A tecnologia quântica, que utiliza as estranhas regras que governam as partículas no nível atômico, normalmente é considerada delicada demais para coexistir com a eletrônica que usamos todos os dias em telefones, laptops e carros. No entanto, cientistas da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago anunciaram um avanço significativo: os estados quânticos podem ser integrados e controlados em dispositivos eletrônicos comumente usados ​​feitos de carboneto de silício.

“A capacidade de criar e controlar bits quânticos de alto desempenho em eletrônica comercial foi uma surpresa”, disse o investigador David Awschalom, professor de engenharia molecular na UChicago e pioneiro em tecnologia quântica. “Essas descobertas mudaram a maneira como pensamos sobre o desenvolvimento de tecnologias quânticas — talvez possamos encontrar uma maneira de usar a eletrônica atual para construir dispositivos quânticos”, disse.

Em dois artigos publicados na Science e Science Advances, o grupo de Awschalom demonstrou que eles podiam controlar eletricamente estados quânticos embutidos no carboneto de silício. A inovação pode oferecer um meio para projetar e construir com mais facilidade eletrônica quântica — em contraste com o uso de materiais exóticos que os cientistas geralmente precisam usar para experiências quânticas, como metais supercondutores, átomos levitados ou diamantes.

Esses estados quânticos no carboneto de silício têm o benefício adicional de emitir partículas únicas de luz com comprimento de onda próximo à banda de telecomunicações. “Isso os torna adequados para a transmissão de longa distância através da mesma rede de fibra ótica que já transporta 90% de todos os dados internacionais em todo o mundo”, disse Awschalom, cientista sênior do Argonne National Laboratory e diretor do Chicago Quantum Exchange.

Além disso, essas partículas de luz podem obter novas propriedades interessantes quando combinadas com os eletrônicos existentes. Por exemplo, no jornal Science Advances, a equipe conseguiu criar o que Awschalom chamou de “rádio FM quântico”; da mesma forma que a música é transmitida ao rádio do carro, informações quânticas podem ser enviadas por distâncias extremamente longas.

“Toda a teoria sugere que, para alcançar um bom controle quântico em um material, ele deve ser puro e livre de campos flutuantes”, disse o estudante Kevin Miao, primeiro autor do artigo. “Os nossos resultados sugerem que, com o design adequado, um dispositivo pode não apenas mitigar essas impurezas, mas também criar formas de controle adicionais que antes não eram possíveis”, disse.

No artigo da Science, eles descrevem um segundo avanço que aborda um problema muito comum na tecnologia quântica: o ruído.

“As impurezas são comuns em todos os dispositivos semicondutores e, no nível quântico, essas impurezas podem embaralhar as informações quânticas criando um ambiente elétrico barulhento”, disse o estudante graduado Chris Anderson, coprimeiro autor do artigo. “Este é um problema quase universal para tecnologias quânticas”, acrescentou.

Mas, usando um dos elementos básicos da eletrônica — o diodo, um interruptor unidirecional para elétrons — a equipe descobriu outro resultado inesperado: o sinal quântico repentinamente ficou livre de ruídos e ficou quase perfeitamente estável.

“Em nossos experimentos, precisamos usar lasers, que infelizmente empurram os elétrons. É como a dança das cadeiras com elétrons; quando a luz se apaga tudo para, mas em uma configuração diferente”, disse o estudante Alexandre Bourassa, outro coprimeiro autor do artigo. “O problema é que essa configuração aleatória de elétrons afeta nosso estado quântico. Mas descobrimos que a aplicação de campos elétricos remove os elétrons do sistema e o torna muito mais estável”, disse.

Ao integrar a estranha física da mecânica quântica à bem desenvolvida tecnologia clássica de semicondutores, Awschalom e seu grupo estão abrindo o caminho para a próxima revolução da tecnologia quântica.

“Este trabalho nos aproxima da realização de sistemas capazes de armazenar e distribuir informações quânticas nas redes de fibra ótica do mundo”, disse Awschalom. “Tais redes quânticas trariam uma nova classe de tecnologias, permitindo a criação de canais de comunicação inatacáveis, o teletransporte de estados de elétrons únicos e a realização de uma internet quântica”, concluiu. [Phys.org].

Referências:

  1. ANDERSON, Christopher P. et al. “Electrical and optical control of single spins integrated in scalable semiconductor devices”; Science, 2019. Acesso em: 09 dez. 2019.
  2. MIAO, Kevin C. et al. “Electrically driven optical interferometry with spins in silicon carbide”; Science Advances, 2019. Acesso em: 09 dez. 2019.