Pesquisadores deram um passo significativo 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 Nature Communications, apresenta um novo tipo de modulador de fase óptica projetado para controlar com precisão a luz laser. Essa habilidade é essencial para operar futuros computadores quânticos que podem depender de milhares ou até milhões de qubits — as unidades fundamentais usadas para armazenar e processar informações quânticas.
Igualmente importante é a forma como o dispositivo é fabricado. Em vez de depender de equipamentos de laboratório personalizados, os pesquisadores utilizaram métodos de fabricação escaláveis semelhantes àqueles utilizados na produção de processadores encontrados em computadores, smartphones, veículos e eletrodomésticos — essencialmente qualquer tecnologia que funcione com eletricidade (até mesmo torradeiras). Essa abordagem torna o dispositivo muito mais prático para ser produzido em larga escala.
Um Dispositivo Pequeno Construído para Escala no Mundo Real
A pesquisa foi liderada por Jake Freedman, um futuro estudante de doutorado no Departamento de Engenharia Elétrica, de Computação e de Energia, ao lado de Matt Eichenfield, professor e titular da Cátedra Karl Gustafson em Engenharia Quântica. A equipe também colaborou com cientistas dos Laboratórios Nacionais Sandia, incluindo o co-autores sênior Nils Otterstrom. Juntos, criaram um dispositivo que combina pequeno tamanho, alto desempenho e baixo custo, tornando-o adequado para produção em massa.
No coração 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 precisão extraordinária.
Ao controlar diretamente a fase de um feixe de laser, o dispositivo pode gerar novas frequências de laser que são tanto estáveis quanto eficientes. Esse nível de controle é uma exigência fundamental não apenas para a computação quântica, mas também para campos emergentes como sensoriamento quântico e redes quânticas.
Por que os Computadores Quânticos Precisam de Lasers Ultra-Precisos
Alguns dos designs mais promissores de computação quântica utilizam íons aprisionados ou átomos neutros aprisionados para armazenar informações. Nesses sistemas, cada átomo atua como um qubit. Os pesquisadores interagem com esses átomos direcionando feixes de laser cuidadosamente sintonizados sobre eles, dando instruções que permitem que cálculos sejam realizados. Para que isso funcione, cada laser deve ser ajustado com extrema precisão, às vezes até bilionésimos de um por cento.
“Criar novas cópias de um laser com diferenças de frequência muito exatas é uma das ferramentas mais importantes para trabalhar com computadores quânticos baseados em átomos e íons,” disse Freedman. “Mas para fazer isso em escala, você precisa de uma tecnologia que possa gerar essas novas frequências de forma eficiente.”
Atualmente, esses deslocamentos de frequência precisos são produzidos usando grandes dispositivos de mesa que requerem uma potência substancial de micro-ondas. Embora sejam eficazes para pequenos experimentos, esses sistemas são impraticáveis para o grande número de canais ópticos necessários nos futuros computadores quânticos.
“Você não vai construir um computador quântico com 100.000 moduladores eletro-óticos em massa sentados em um armazém cheio de mesas ópticas,” disse Eichenfield. “Você precisa de formas muito mais escaláveis de fabricá-los que não exijam montagem manual e longos caminhos ópticos. Enquanto isso, se você puder fazer com que todos se encaixem em alguns pequenos microchips e produzirem 100 vezes menos calor, você terá muito mais chances de fazer funcionar.”
Menor Consumo de Energia, Menos Calor, Mais Qubits
O novo dispositivo gera deslocamentos de frequência de laser por meio de modulação de fase eficiente, utilizando cerca de 80 vezes menos potência de micro-ondas do que muitos moduladores comerciais existentes. O menor consumo de energia significa menos calor, o que permite que mais canais sejam acomodados próximos uns dos outros, até mesmo em um único chip.
Juntas, essas vantagens transformam o chip em um sistema escalável capaz de coordenar as interações precisas que os átomos precisam para realizar cálculos quânticos.
Construído com a Mesma Tecnologia dos Microchips Modernos
Uma das realizações mais importantes do projeto é que o dispositivo foi fabricado inteiramente em uma instalação de fabricação, ou fab, do mesmo tipo de ambiente usado para produzir microeletrônicos avançados.
“A fabricação CMOS é a tecnologia mais escalável que os humanos já inventaram,” disse Eichenfield.
“Cada chip microeletrônico em todos os celulares ou computadores possui bilhões de transistores essencialmente idênticos. Portanto, ao usar a fabricação CMOS, no futuro, poderemos produzir milhares ou até milhões de versões idênticas dos nossos dispositivos fotônicos, que é exatamente o que a computação quântica precisará.”
Segundo Otterstrom, a equipe pegou tecnologias de moduladores que antes eram volumosos, caros e intensivos em energia e as redesenhou para serem menores, mais eficientes e mais fáceis de integrar.
“Estamos ajudando a impulsionar a óptica para sua própria ‘revolução dos transistores’, afastando-se do equivalente óptico das válvulas de vácuo e caminhando em direção a tecnologias fotônicas integradas escaláveis,” disse Otterstrom.
Em Direção a Chips Quânticos Fotônicos Totalmente Integrados
Os pesquisadores agora estão trabalhando em circuitos fotônicos totalmente integrados que combinam geração de frequência, filtragem e modelagem de pulso em um único chip. Esse esforço aproxima o campo de uma plataforma fotônica quântica completa e operacional.
Em seguida, a equipe planeja fazer parcerias com empresas de computação quântica para testar esses chips dentro de computadores quânticos avançados de íons aprisionados e átomos neutros aprisionados.
“Este dispositivo é uma das peças finais do quebra-cabeça,” disse Freedman. “Estamos nos aproximando de uma plataforma fotônica verdadeiramente escalável capaz de controlar um número muito grande de qubits.”
O projeto recebeu apoio do Departamento de Energia dos EUA por meio do programa Quantum Systems Accelerator, um Centro de Pesquisa de Ciência da Iniciativa Nacional Quântica.