Novos materiais tornam computação quântica mais próxima da realidade

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Por 60 anos os computadores tornaram-se cada vez menores, mais rápidos e mais baratos. Mas os engenheiros estão se aproximando dos limites físicos de quão pequenos eles podem fazer os transistores de silício e quão rapidamente eles podem empurrar eletricidade através de dispositivos para criar zeros e uns digitais.

Essa limitação é a razão pela qual a professora de Engenharia Elétrica de Stanford, Jelena Vuckovic, está olhando para a computação quântica, que é baseada na luz e não na eletricidade. Os computadores quânticos funcionam isolando elétrons de fiação dentro de um novo tipo de material semicondutor.

Quando um laser atinge o elétron, ele revela de que maneira ele está girando emitindo um ou mais quanta, ou partículas, de luz. Esses estados de spin substituem os e zeros da computação tradicional.

Vuckovic, que é um dos principais pesquisadores do mundo, disse que a computação quântica é ideal para estudar sistemas biológicos, fazer criptografia ou mineração de dados – na verdade, resolver qualquer problema com muitas variáveis. 

“Quando as pessoas falam sobre encontrar uma agulha em um palheiro, é aí que entra a computação quântica”, disse ela.

Marina Radulaski, pesquisadora pós-doutoral no laboratório de Vuckovic, disse que o potencial de resolução de problemas dos computadores quânticos decorre da complexidade das interações laser-elétron no núcleo do conceito.

“Com a eletrônica você tem zeros e uns”, disse Radulaski. “Mas quando o laser atinge o elétron em um sistema quântico, ele cria muitos possíveis estados de rotação, e com maior variedade de possibilidades formando a base para computação mais complexa”.

Capturando elétrons

Aproveitar informações baseadas nas interações de luz e elétrons é mais fácil falar do que fazer. Algumas das principais empresas de tecnologia do mundo estão tentando construir computadores quânticos maciços que dependem de materiais super-resfriados, perto de zero absoluto, a temperatura teórica na qual os átomos deixariam de se mover.

Em seus próprios estudos de quase 20 anos, Vuckovic se concentrou em um aspecto do desafio: criar novos tipos de chips de computadores quânticos que se tornariam os blocos de construção de sistemas futuros.

“Para realizar plenamente a promessa de computação quântica, teremos de desenvolver tecnologias que possam operar em ambientes normais”, disse ela. “Os materiais que estamos explorando nos fazem chegar mais perto de encontrar o processador quântico de amanhã”.

O desafio para a equipe de Vuckovic é desenvolver materiais que possam capturar um elétron isolado. Trabalhando com colaboradores em todo o mundo, eles testaram recentemente três abordagens diferentes para o problema, uma das quais pode operar em temperatura ambiente – um passo crítico que pode determinar se a computação quântica vai se tornar uma ferramenta prática.

Em todos os três casos o grupo começou com cristais semicondutores, material com uma estrutura atômica regular como as vigas de um arranha-céu. Alterando ligeiramente esta rede, eles procuraram criar uma estrutura na qual as forças atômicas exercidas pelo material poderiam confinar um elétron girando.

“Estamos tentando desenvolver a unidade básica de trabalho de um chip quântico, o equivalente ao transistor em um chip de silício”, disse Vuckovic.

Computação quântica na prática

Em um artigo recente publicado em Nano Letters, sua equipe se concentrou em centros de cores em diamantes. Naturalmente a malha cristalina de um diamante consiste em átomos de carbono.

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Jingyuan Linda Zhang, uma estudante de pós-graduação no laboratório de Vuckovic, descreveu como uma equipe de pesquisa de 16 membros substituiu alguns desses átomos de carbono por átomos de silício. Esta alteração criou centros de cores que efetivamente prendiam elétrons de fiação na malha de diamante.

Mas, como o ponto quântico, a maioria dos experimentos de centros de cores de diamantes requerem resfriamento criogênico. Embora isso seja uma melhoria em relação a outras abordagens que exigiam um resfriamento ainda mais elaborado, Vuckovic queria fazer melhor.

Então, ela trabalhou com outra equipe global para experimentar outro material, o carboneto de silício. Comumente conhecido como carborundum, carboneto de silício é um cristal duro, transparente usado para fazer placas de embreagem, pastilhas de freio e coletes à prova de bala.

A pesquisa anterior tinha mostrado que o carboneto de silício poderia ser modificado para criar centros de cor à temperatura ambiente. Mas esse potencial ainda não tinha sido alcançado de forma suficientemente eficiente para produzir um chip quântico.

A equipe de Vuckovic quebrou certos átomos de silício da estrutura de carboneto de silício de uma maneira a criar centros de cores altamente eficientes. Eles também fabricaram estruturas de nanofios em torno dos centros de cores para melhorar a extração de fótons.

Radulaski foi a primeira autora sobre essa experiência, que é descrita em outro documento da NanoLetters. Ela disse que os resultados – um centro de cores eficiente, operando à temperatura ambiente, em um material familiar para a indústria – foram enormes vantagens.

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“Achamos que demonstramos uma abordagem prática para fabricar um chip quântico”, disse Radulaski. Mas o campo ainda está em seus primórdios e a exploração de elétrons não é uma façanha simples. Mesmo os pesquisadores não têm certeza de qual método, ou métodos, vencerá.

“Ainda não sabemos qual é a melhor abordagem, por isso continuamos a experimentar”, finalizou Vuckovic.

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