Os pesquisadores deram um grande passo em frente na computação quântica ao criar um dispositivo cerca de 100 vezes mais fino que a largura de um fio de cabelo humano. Trabalho, publicado na revista Comunicação da naturezaapresenta um novo tipo de modulador de fase óptico projetado para controlar com precisão a luz laser. Esta capacidade é essencial para o funcionamento de futuros computadores quânticos que poderão contar com milhares ou mesmo milhões de qubits – as unidades fundamentais utilizadas para armazenar e processar informações quânticas.
A forma como o dispositivo é construído é tão importante quanto seu tamanho. Em vez de depender de equipamento de laboratório personalizado, os investigadores utilizaram métodos de fabrico escaláveis semelhantes aos encontrados em computadores, smartphones, veículos e eletrodomésticos – essencialmente qualquer tecnologia alimentada por eletricidade (até torradeiras). Este método torna o dispositivo mais prático para produção em massa.
Uma máquina em miniatura construída para escala real
A pesquisa foi liderada por Jack Friedman, um novo estudante de doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica, de Computação e Energia, juntamente com Matt Eichenfeld Professor de Engenharia Quântica e Carl Gustafson Endowed Chair. A equipe também colaborou com cientistas do Laboratório Nacional Sandia, incluindo o co-autor sênior Nils Otterstrom. Juntos, eles criaram um dispositivo que combina tamanho pequeno, alto desempenho e baixo custo, tornando-o adequado para produção em massa.
No centro da tecnologia estão as vibrações de frequência de micro-ondas que oscilam bilhões de vezes por segundo. Essas vibrações permitem que o chip manipule a luz laser com notável precisão.
Ao controlar diretamente a fase de um feixe de laser, o dispositivo pode gerar novas frequências de laser que são estáveis e eficientes. Este nível de controle é um requisito fundamental não apenas para a computação quântica, mas também para campos emergentes, como detecção quântica e redes quânticas.
Por que os computadores quânticos precisam de lasers ultraprecisos
Alguns dos projetos de computação quântica mais promissores usam íons presos ou átomos neutros presos para armazenar informações. Neste sistema, cada átomo atua como um qubit. Os pesquisadores direcionam feixes de laser cuidadosamente sintonizados para esses átomos, fornecendo efetivamente uma orientação que permite cálculos. Para que isso funcione, cada laser deve ser alinhado com extrema precisão, às vezes com precisão de um bilionésimo de um por cento.
“Fazer uma nova cópia de um laser com uma diferença de frequência muito precisa é uma das ferramentas mais importantes para trabalhar com computadores quânticos baseados em átomos e íons”, disse Friedman. “Mas para fazer isso em escala, você precisa de tecnologia que possa gerar eficientemente essas novas frequências”.
Atualmente, essas mudanças precisas de frequência são produzidas usando grandes dispositivos de mesa que requerem considerável potência de micro-ondas. Embora eficazes para pequenos experimentos, esses sistemas são impraticáveis para o grande número de canais ópticos necessários em futuros computadores quânticos.
“Você não vai construir um computador quântico com 100.000 moduladores eletro-ópticos em massa em um armazém cheio de mesas ópticas”, disse Eichenfeld. “Você precisa de uma maneira muito mais escalável de fabricá-los, que não precise ser montada manualmente e com longos caminhos ópticos. Enquanto você faz isso, se você puder encaixá-los em alguns microchips pequenos e produzir 100 vezes menos calor, é muito mais provável que funcione.”
Menor consumo de energia, menos calor, mais Qubits
O novo dispositivo produz mudanças de frequência de laser por meio de modulação de fase eficiente, usando cerca de 80 vezes menos energia de micro-ondas do que muitos moduladores comerciais existentes. Menor consumo de energia significa menos calor, o que permite que mais canais sejam agrupados, mesmo em um único chip.
Juntas, essas vantagens transformam o chip em um sistema escalável capaz de coordenar as interações precisas dos átomos para realizar cálculos quânticos.
Construído com a mesma tecnologia dos microchips modernos
Uma das conquistas mais importantes do projeto foi que o dispositivo foi totalmente construído em uma instalação de fabricação, ou fab, o mesmo tipo de ambiente usado para produzir microeletrônica avançada.
“A fabricação de CMOS é a tecnologia mais escalável que o homem já inventou”, disse Eichenfeld.
“Cada telefone celular ou cada chip microeletrônico de um computador possui bilhões de transistores essencialmente idênticos. Assim, usando a fabricação CMOS, no futuro, poderemos fabricar milhares ou até milhões de versões idênticas de nossos dispositivos fotônicos, que é o que a computação quântica exigirá.”
De acordo com Otterstorm, a equipe pegou tecnologias moduladoras que antes eram volumosas, caras e que consumiam muita energia e as redesenhou para serem menores, mais eficientes e mais fáceis de integrar.
“Estamos ajudando a impulsionar a óptica em sua própria ‘revolução de transistor’, afastando-se do equivalente óptico dos tubos de vácuo e em direção a tecnologias fotônicas integradas e escalonáveis”, disse Otterstorm.
Rumo a chips fotônicos quânticos totalmente integrados
Os pesquisadores estão agora trabalhando em circuitos fotônicos totalmente integrados que combinam geração de frequência, filtragem e modelagem de pulso em um único chip. Este esforço aproxima o campo de uma plataforma fotônica quântica completa e operacional.
Em seguida, a equipe planeja fazer parceria com uma empresa de computação quântica para testar esses chips em computadores quânticos avançados de íons aprisionados e átomos neutros aprisionados.
“Este dispositivo é uma das peças finais do quebra-cabeça”, disse Friedman. “Estamos nos aproximando de uma plataforma fotônica verdadeiramente escalável, capaz de controlar um grande número de qubits”.
O projeto é apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA por meio do Quantum Systems Accelerator Program, um centro de pesquisa científica da National Quantum Initiative.
