Os computadores quânticos hoje são notoriamente difíceis e caros de operar. A maioria exige temperaturas próximas do zero absoluto, em torno de -459 graus Fahrenheit, para manter os frágeis estados quânticos necessários para a computação e a comunicação.
Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford desenvolveram um dispositivo óptico em nanoescala que funciona à temperatura ambiente enquanto acopla as propriedades quânticas da luz e dos elétrons. O avanço poderia ajudar a abrir caminho para tecnologias quânticas pequenas e de baixo custo, capazes de transmitir informações a longas distâncias.
O novo dispositivo permite o emaranhamento entre fótons, partículas produtoras de luz e elétrons. Esta conexão quântica é considerada um requisito fundamental para futuros sistemas de comunicação quântica.
“O material em questão não é realmente novo, mas a forma como o usamos é”, disse Jennifer Dion, professora de ciência e engenharia de materiais em Stanford e autora sênior do estudo publicado. Comunicação da natureza. “Isso fornece um acoplamento de spin muito versátil e estável entre elétrons e fótons, que é a base teórica da comunicação quântica. Normalmente, porém, os elétrons perdem seu spin muito rapidamente para serem úteis.”
Luz torcida e rotação quântica
O dispositivo combina uma fina camada padronizada de disseleneto de molibdênio (MoSe2) com um substrato de silício nanopadronizado. Os disselenetos de molibdênio pertencem a uma família de materiais conhecidos como dichalcogenetos de metais de transição (TMDCs), que são valorizados por suas propriedades ópticas e quânticas únicas.
Segundo os pesquisadores, as nanoestruturas de silício desempenham um papel importante ao criar “luz distorcida”.
“As nanoestruturas de silício permitem o que chamamos de ‘luz torcida'”, explica Feng Pan, pós-doutorado no laboratório de Dion e primeiro autor do artigo. “Os fótons giram em forma de saca-rolhas, mas o mais importante é que podemos usar esses fótons giratórios para transmitir rotação aos elétrons, que é o núcleo da computação quântica.”
Dion observa que as estruturas padronizadas são incrivelmente pequenas, aproximadamente comparáveis em tamanho aos comprimentos de onda da luz visível e impossíveis de serem vistas a olho nu.
“As nanoestruturas padronizadas são invisíveis ao olho humano nos comprimentos de onda da luz visível”, acrescentou Dion. “Mas eles ajudam-nos a manipular os fotões com muita precisão para os rodar – para os torcer – numa direcção específica, por exemplo, para cima ou para baixo.”
Uma forma simples de comunicação quântica
Os pesquisadores podem usar essa luz curvada para emaranhar os spins dos elétrons, criando os blocos básicos de construção dos sistemas de informação quântica.
Na computação convencional, as informações são representadas por zeros e uns. Na tecnologia quântica, os qubits têm o mesmo propósito, mas podem aproveitar os efeitos da mecânica quântica para processar e transmitir informações de maneiras totalmente novas.
Um dos maiores desafios enfrentados pela tecnologia quântica é manter um estado quântico estável. Em muitos sistemas existentes, é necessário um arrefecimento extremo para evitar um processo conhecido como decoerência, onde se perdem informações quânticas delicadas.
Como o novo dispositivo funciona à temperatura ambiente, evita um grande obstáculo que limitou o uso generalizado da tecnologia quântica. Os pesquisadores dizem que o design compacto é relativamente barato e prático em comparação com muitos sistemas quânticos atuais.
Se for mais desenvolvida, a tecnologia poderá contribuir para avanços nas comunicações seguras, detecção avançada, computação de alto desempenho, inteligência artificial e outras aplicações emergentes.
Por que o material é importante
A equipe escolheu materiais TMDC por causa de suas propriedades quânticas incomuns e colaborou com os pesquisadores de Stanford, Fang Liu e Tony Heinz, especializados nesses materiais.
“Tudo se resume aos componentes e ao nosso chip de silício”, disse Pan. “Juntos, eles limitam e melhoram eficientemente a torção da luz para criar um forte acoplamento de spin entre fótons e elétrons. Isso estabiliza o estado quântico que torna possível a comunicação quântica.”
A combinação permite que a luz e a matéria interajam mais fortemente, ajudando a preservar as propriedades quânticas necessárias para tarefas de comunicação e computação.
Rumo às futuras redes quânticas
Os pesquisadores continuam a melhorar o dispositivo e a explorar materiais TMDC adicionais e combinações de materiais que podem fornecer melhor desempenho. Eles estão investigando se esses sistemas podem revelar novas capacidades quânticas que atualmente não são possíveis à temperatura ambiente.
Um objetivo de longo prazo é integrar esses dispositivos em redes quânticas maiores. Alcançar essa visão exigirá melhorias nas tecnologias de apoio, como fontes de luz, moduladores, detectores e interconexões.
Em última análise, os pesquisadores esperam que os componentes quânticos possam ser feitos pequenos o suficiente para serem incorporados na eletrônica cotidiana. Embora esse futuro ainda esteja a anos de distância, o trabalho representa um passo no sentido de tornar a tecnologia quântica mais acessível e prática.
“Se pudermos fazer isso, talvez algum dia seremos capazes de fazer computação quântica em telefones celulares”, diz Pan rindo. “Mas é um plano para mais de 10 anos.”
