Os computadores quânticos de hoje são notoriamente difíceis e caros de operar. A maioria exige temperaturas próximas do zero absoluto, cerca 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 elemento óptico em nanoescala que funciona à temperatura ambiente enquanto liga as propriedades quânticas da luz e dos elétrons. O avanço poderia ajudar a abrir caminho para tecnologias quânticas menores e mais baratas, capazes de transmitir mensagens a longas distâncias.
O novo dispositivo permite o emaranhamento entre os fótons, as partículas que constituem a luz, e os 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 Dionne, professora de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Stanford e autora sênior do estudo. comunicações da natureza. “Ele fornece uma conexão de spin estável e muito versátil entre elétrons e fótons, que é a base teórica para a comunicação quântica. Normalmente, porém, os elétrons perdem spin muito rapidamente para serem úteis.”
Luz torcida e rotação quântica
Este dispositivo combina uma fina camada padronizada de disseleneto de molibdênio (MoSe2) com um substrato de silício nanopadronizado. O disseleneto de molibdênio pertence à família de materiais dichalcogenetos de metais de transição (TMDC), que é valorizada por suas propriedades ópticas e quânticas únicas.
Os pesquisadores dizem que as nanoestruturas de silício desempenham um papel fundamental ao produzir o que chamam de “luz distorcida”.
“As nanoestruturas de silício podem alcançar o que chamamos de ‘luz torcida'”, explicou Feng Pan, pós-doutorado no laboratório de Dion e primeiro autor do artigo. “Os fótons giram em espiral, mas o mais importante é que podemos usar esses fótons giratórios para transferir o spin para os elétrons, que está no cerne da computação quântica.”
Dion observa que estas estruturas padronizadas são tão pequenas, aproximadamente do tamanho dos comprimentos de onda da luz visível, que não podem ser vistas a olho nu.
“As nanoestruturas padronizadas são imperceptíveis ao olho humano e têm aproximadamente o comprimento de onda da luz visível”, acrescentou Dionne. “Mas eles nos ajudam a manipular os fótons com muita precisão para girá-los em uma direção específica – torcendo-os – para cima ou para baixo, por exemplo.”
Caminhos mais fáceis para a comunicação quântica
Os pesquisadores podem usar essa luz distorcida para se emaranhar com os spins dos elétrons para criar qubits, os blocos básicos de construção dos sistemas de informação quântica.
Na computação tradicional, as informações são representadas por zeros e uns. Na tecnologia quântica, os qubits têm um propósito semelhante, mas exploram 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 processos de decoerência, nos quais se perdem informações quânticas delicadas.
Como o novo dispositivo funciona à temperatura ambiente, evita um dos principais obstáculos que limitam o uso generalizado da tecnologia quântica. Os pesquisadores dizem que o design compacto também é relativamente barato e prático em comparação com muitos sistemas quânticos atuais.
Se for mais desenvolvida, a tecnologia ajudará a promover comunicações seguras, detecção avançada, computação de alto desempenho, inteligência artificial e outras aplicações emergentes.
Por que os materiais são importantes
A equipe escolheu materiais TMDC por causa de suas propriedades quânticas incomuns e colaborou com os pesquisadores da Universidade de Stanford, Fang Liu e Tony Heinz, especializados nesses materiais.
“Tudo depende deste material e de nossas pastilhas de silício”, disse Pan. “Juntos, eles confinam e aumentam efetivamente a distorção da luz, criando um forte acoplamento de spin entre fótons e elétrons. Isso estabiliza o estado quântico, tornando possível a comunicação quântica.”
Esta combinação permite que a luz e a matéria interajam mais fortemente, ajudando a preservar as propriedades quânticas necessárias para comunicações e tarefas computacionais.
Rumo à rede quântica do futuro
Os pesquisadores continuam a melhorar o dispositivo e a explorar outros materiais TMDC e combinações de materiais que podem proporcionar melhor desempenho. Eles também estão investigando se esses sistemas podem revelar novas capacidades quânticas que são atualmente impossíveis à temperatura ambiente.
O objetivo de longo prazo é integrar esses dispositivos em redes quânticas maiores. A concretização desta visão requer melhorias nas tecnologias de apoio, como fontes de luz, moduladores, detectores e interconexões.
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 muitos anos de distância, este trabalho representa um passo no sentido de tornar a tecnologia quântica mais acessível e prática.
“Se pudermos fazer isso, talvez um dia possamos fazer computação quântica em telefones celulares”, disse Pan rindo. “Mas esse é um plano de mais de 10 anos.”
