Os pesquisadores deram um grande passo no campo da computação quântica ao desenvolver um dispositivo que é quase 100 vezes mais fino que a largura de um fio de cabelo humano. O trabalho publicado na revista Comunicações da naturezaapresenta um novo tipo de modulador de fase óptico projetado para controle preciso da luz laser. Esta capacidade é importante 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 informação quântica.
A forma como o dispositivo é feito é tão importante quanto seu tamanho. Em vez de depender de equipamento de laboratório especializado, os investigadores utilizaram técnicas de fabrico escaláveis semelhantes às utilizadas para fabricar processadores em computadores, smartphones, veículos e eletrodomésticos – essencialmente qualquer tecnologia que funcione com eletricidade (até mesmo torradeiras). Esta abordagem torna o dispositivo mais prático para produção em massa.
Um pequeno dispositivo construído para escala real
A pesquisa foi liderada por Jake Friedman, um novo aluno de graduação no Departamento de Engenharia Elétrica, de Computação e Energia, juntamente com Matt Eichenfield, professor e presidente do Departamento de Engenharia Quântica Carl Gustavsson. 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.
A tecnologia é baseada em vibrações de frequência de micro-ondas que oscilam bilhões de vezes por segundo. Essas vibrações permitem que o chip manipule a luz do laser com extrema precisão.
Ao controlar diretamente a fase do feixe de laser, o dispositivo pode gerar novas frequências de laser que são estáveis e eficientes. Este nível de controlo é um requisito fundamental não só para a computação quântica, mas também para campos emergentes, como a detecção quântica e as redes quânticas.
Por que os computadores quânticos precisam de lasers ultraprecisos
Alguns dos projetos de computação quântica mais promissores usam íons aprisionados ou átomos neutros aprisionados para armazenar informações. Nestes sistemas, cada átomo atua como um qubit. Os pesquisadores interagem com esses átomos direcionando feixes de laser cuidadosamente sintonizados para eles, fornecendo efetivamente instruções que permitem a realização de cálculos. Para que isso funcione, cada laser deve ser ajustado com extrema precisão, às vezes até bilionésimos de um por cento.
“Criar novas cópias de laser com diferenças de frequência muito precisas 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 com eficiência essas novas frequências”.
Atualmente, essas mudanças precisas de frequência são produzidas usando grandes dispositivos de mesa que exigem uma potência significativa de micro-ondas. Embora eficazes para pequenos experimentos, esses sistemas são impraticáveis devido ao 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 Eichenfield. “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 conseguir fazer com que todos caibam em alguns pequenos microchips e produzam 100 vezes menos calor, você terá uma chance muito maior de fazê-lo funcionar.”
Menos energia, menos calor, mais qubits
O novo dispositivo gera 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, permitindo mais canais, mesmo em um único chip.
Combinadas, essas vantagens transformam o chip em um sistema escalável capaz de coordenar as interações precisas que os átomos precisam para realizar a computação quântica.
Criado usando a mesma tecnologia dos microchips modernos
Uma das conquistas mais importantes do projeto é que o aparelho foi produzido inteiramente em uma fábrica, no mesmo ambiente utilizado para a produção da moderna microeletrônica.
“A fabricação de CMOS é a tecnologia mais escalonável que os humanos já inventaram”, disse Eichenfield.
“Cada chip microeletrônico em cada telefone celular ou computador contém bilhões de transistores essencialmente idênticos. Portanto, usando a fabricação CMOS, no futuro seremos capazes de produzir milhares ou até milhões de versões idênticas de nossos dispositivos fotônicos, que é exatamente o que a computação quântica precisará.”
De acordo com Otterstorm, a equipe pegou tecnologias de moduladores que antes eram volumosas, caras e que consumiam muita energia e as redesenhou para torná-las menores, mais eficientes e mais fáceis de integrar.
“Estamos ajudando a impulsionar a óptica em sua própria ‘revolução de transistores’, afastando-se do equivalente óptico dos tubos de vácuo para tecnologias fotônicas integradas e escaláveis”, 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. Esses esforços aproximam o campo de uma plataforma fotônica quântica completa e operacional.
A equipe planeja então trabalhar com empresas de computação quântica para testar esses chips em computadores quânticos avançados com íons presos e átomos neutros.
“Este dispositivo é uma das últimas peças do quebra-cabeça”, disse Friedman. “Estamos nos aproximando de uma plataforma fotônica verdadeiramente escalável, capaz de controlar um grande número de qubits.”
O projeto foi apoiado pelo programa Quantum Systems Accelerator do Departamento de Energia dos EUA, uma Iniciativa Quantum do Centro Nacional de Pesquisa.
