Os computadores quânticos hoje são notoriamente complexos 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. Este avanço poderia ajudar a abrir caminho para tecnologias quânticas menores e mais baratas, capazes de transmitir informações a longas distâncias.
O novo dispositivo permite entrelaçar fótons, as partículas que compõem a luz, e elétrons. Esta comunicação quântica é considerada um requisito fundamental para futuros sistemas de comunicação quântica.
“O material em questão não é inteiramente novo, mas a forma como o usamos é”, diz Jennifer Dion, professora de ciência e engenharia de materiais em Stanford e autora sênior do estudo, publicado em Comunicações da natureza. “Ele fornece um acoplamento de spin muito versátil e estável entre elétrons e fótons, que é a base teórica do acoplamento quântico. Normalmente, porém, os elétrons perdem seu spin muito rapidamente para serem úteis.”
Luz torcida e rotação quântica
O dispositivo combina uma camada fina e padronizada de disseleneto de molibdênio (MoSe2) com um substrato de silício nanopadronizado. O disseleneto de molibdênio pertence 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 na geração do que chamam de “luz distorcida”.
“As nanoestruturas de silício criam o que chamamos de ‘luz distorcida'”, explica Feng Pan, pós-doutorado no laboratório de Dion e primeiro autor do artigo. “Os fótons giram em saca-rolhas, mas o mais importante é que podemos usar esses fótons para transmitir rotação aos elétrons, que são o coração da computação quântica.”
Dion observa que as estruturas padronizadas são incrivelmente pequenas, aproximadamente comparáveis em tamanho aos comprimentos de onda da luz visível, e não podem ser vistas a olho nu.
“As nanoestruturas padronizadas são invisíveis ao olho humano, do tamanho de um comprimento de onda de luz visível”, acrescenta Dion. “Mas eles nos ajudam a manipular os fótons com muita precisão para fazê-los girar – girá-los – em uma determinada direção, como para cima ou para baixo.”
Uma maneira mais fácil de comunicação quântica
Os pesquisadores podem usar essa luz distorcida para emaranhar os spins dos elétrons, criando qubits, os blocos básicos de construção dos sistemas de informação quântica.
Nos cálculos comuns, as informações são representadas por zeros e uns. Na tecnologia quântica, os qubits têm um propósito semelhante, 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 estados quânticos estáveis. Em muitos sistemas existentes, o arrefecimento extremo é necessário para evitar um processo conhecido como decoerência, no qual se perdem informações quânticas delicadas.
Como o novo dispositivo funciona em temperatura ambiente, ele evita um dos principais obstáculos que tem limitado o uso generalizado da tecnologia quântica. O design compacto também é relativamente barato e prático em comparação com muitos sistemas quânticos atuais, dizem os pesquisadores.
Se for mais desenvolvida, esta tecnologia poderá facilitar avanços em comunicações seguras, detecção avançada, computação de alto desempenho, inteligência artificial e outras novas aplicações.
Por que o material é importante
A equipe escolheu materiais TMDC por causa de suas características quânticas incomuns e colaborou com os pesquisadores de Stanford, Fang Liu e Tony Heinz, especializados nesses materiais.
“Tudo se resume a este material e ao nosso chip de silício”, diz Pan. “Juntos, eles confinam e amplificam efetivamente 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 a comunicação e a 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 um desempenho ainda melhor. Eles também estão investigando se esses sistemas podem revelar novas possibilidades quânticas que atualmente não são possíveis à temperatura ambiente.
Um objetivo de longo prazo é integrar dispositivos semelhantes em redes quânticas maiores. Alcançar esta visão exigirá melhorias nas tecnologias de apoio, como fontes de luz, moduladores, detectores e conexões.
Eventualmente, os pesquisadores esperam que os componentes quânticos possam ser miniaturizados 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 conseguirmos fazer isso, talvez um dia seremos capazes de fazer computação quântica num telemóvel”, diz Pan com um sorriso. “Mas este é um plano para mais de 10 anos.”
