A capacidade de transmitir e manipular, com perda mínima, a menor unidade de luz – o fóton – desempenha um papel fundamental nas comunicações ópticas, bem como em projetos de computadores quânticos que usariam luz em vez de cargas elétricas para armazenar e transportar informações.

Agora, pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas conectaram, em um único microchip, pontos quânticos - átomos artificiais que geram fótons individuais rapidamente e sob demanda quando iluminados por um laser - com circuitos em miniatura que podem guiar a luz sem perda significativa de intensidade.

Para criar os circuitos de perda ultrabaixa, os pesquisadores fabricaram guias de onda de nitreto de silício – os canais pelos quais os fótons viajavam – e os enterraram em dióxido de silício. Os canais eram largos, mas rasos, uma geometria que reduzia a probabilidade de os fótons se espalharem pelos guias de onda. Encapsular os guias de onda em dióxido de silício também ajudou a reduzir a dispersão.

Os cientistas relataram que seus circuitos protótipos têm uma perda de intensidade igual a apenas um por cento de circuitos semelhantes – também usando pontos quânticos – que foram fabricados por outras equipes.

Em última análise, os dispositivos que incorporam essa nova tecnologia de chip podem aproveitar as estranhas propriedades da mecânica quântica para realizar cálculos complexos que os circuitos clássicos (não quânticos) podem não ser capazes de fazer.

Por exemplo, de acordo com as leis da mecânica quântica, um único fóton tem a probabilidade de residir em dois lugares diferentes, como dois guias de onda diferentes, ao mesmo tempo. Essas probabilidades podem ser usadas para armazenar informações; um fóton individual pode atuar como um bit quântico, ou qubit, que carrega muito mais informações do que o bit binário de um computador clássico, que é limitado a um valor de 0 ou 1.

Para realizar as operações necessárias para resolver problemas computacionais, esses qubits de fótons – todos os quais viajam na mesma velocidade e são indistinguíveis uns dos outros – devem chegar simultaneamente a nós de processamento específicos no circuito. Isso representa um desafio porque os fótons originários de diferentes locais – e viajando ao longo de diferentes guias de onda – ao longo do circuito podem estar a distâncias significativamente diferentes dos pontos de processamento. Para garantir a chegada simultânea, os fótons emitidos mais perto do destino designado devem atrasar sua jornada, dando uma vantagem aos que estão em guias de ondas mais distantes.

O circuito concebido pelos pesquisadores do NIST, incluindo Ashish Chanana e Marcelo Davanco, juntamente com uma equipe internacional de colegas, permite atrasos de tempo significativos porque emprega guias de ondas de vários comprimentos que podem armazenar fótons por períodos de tempo relativamente longos. Por exemplo, os pesquisadores calculam que um guia de onda de 3 metros de comprimento (bem enrolado para que seu diâmetro em um chip seja de apenas alguns milímetros) teria 50% de probabilidade de transmitir um fóton com um atraso de 20 nanossegundos (bilionésimos de um segundo). Em comparação, dispositivos anteriores, desenvolvidos por outras equipes e operando em condições semelhantes, limitavam-se a induzir atrasos de tempo de apenas um centésimo.

Os tempos de atraso mais longos alcançados com o novo circuito também são importantes para operações nas quais os fótons de um ou mais pontos quânticos precisam chegar a um local específico em intervalos de tempo igualmente espaçados. Além disso, o circuito de pontos quânticos de baixa perda pode aumentar drasticamente o número de fótons individuais disponíveis para transportar informações quânticas em um chip, permitindo sistemas computacionais e de processamento de informações maiores, mais rápidos e confiáveis.

Os cientistas, que incluem pesquisadores da Universidade da Califórnia, Santa Bárbara (UCSB), do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), do Instituto de Ciência e Tecnologia da Coreia e da Universidade de São Paulo no Brasil, relataram suas descobertas em 11 de dezembro na Nature Comunicações .

O circuito híbrido consiste em dois componentes, cada um inicialmente construído em um chip separado. Um deles, um dispositivo semicondutor de arseneto de gálio projetado e fabricado no NIST, hospeda os pontos quânticos e canaliza diretamente os fótons únicos que eles geram para um segundo dispositivo – um guia de ondas de nitreto de silício de baixa perda desenvolvido na UCSB.

Para casar os dois componentes, os pesquisadores do MIT primeiro usaram a ponta de metal fino de uma microssonda pick-and-place, agindo como um pé de cabra em miniatura, para erguer o dispositivo de arsenieto de gálio do chip construído no NIST. Eles então o colocaram no topo do circuito de nitreto de silício no outro chip.

Os pesquisadores enfrentam vários desafios antes que o circuito híbrido possa ser empregado rotineiramente em um dispositivo fotônico. Atualmente, apenas cerca de 6% dos fótons individuais gerados pelos pontos quânticos podem ser canalizados para o circuito. No entanto, as simulações sugerem que, se a equipe mudar o ângulo em que os fótons são canalizados, em conjunto com melhorias no posicionamento e orientação dos pontos quânticos, a taxa pode subir acima de 80%.

Outra questão é que os pontos quânticos nem sempre emitem fótons individuais exatamente no mesmo comprimento de onda, um requisito para criar os fótons indistinguíveis necessários para as operações computacionais quânticas. A equipe está explorando várias estratégias, incluindo a aplicação de um campo elétrico constante aos pontos, que podem aliviar esse problema.