Tecnologia Científica

Avanço na fotônica quântica promete uma nova era em circuitos ópticos
Pesquisadores do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Família Mork da USC fizeram uma descoberta para ajudar a habilitar essa tecnologia.
Por University of Southern California - 06/02/2021


Domínio público

O mundo moderno é alimentado por circuitos elétricos em um "chip" - o chip semicondutor que sustenta computadores, telefones celulares, a Internet e outras aplicações. No ano de 2025, espera-se que os humanos criem 175 zetabytes (175 trilhões de gigabytes) de novos dados. Como podemos garantir a segurança de dados confidenciais em um volume tão alto? E como podemos abordar problemas semelhantes a grandes desafios, desde privacidade e segurança até mudanças climáticas, aproveitando esses dados, especialmente devido à capacidade limitada dos computadores atuais?

Uma alternativa promissora são as tecnologias emergentes de comunicação e computação quântica . Para que isso aconteça, no entanto, será necessário o amplo desenvolvimento de novos e poderosos circuitos ópticos quânticos; circuitos que são capazes de processar com segurança as enormes quantidades de informações que geramos todos os dias. Pesquisadores do Departamento de Engenharia Química e Ciência de Materiais da Família Mork da USC fizeram uma descoberta para ajudar a habilitar essa tecnologia.

Enquanto um circuito elétrico tradicional é um caminho ao longo do qual os elétrons de uma carga elétrica fluem, um circuito óptico quântico usa fontes de luz que geram partículas de luz individuais, ou fótons, sob demanda, um de cada vez, agindo como bits transportadores de informação ( bits quânticos ou qubits). Essas fontes de luz são "pontos quânticos" de semicondutores nanométricos - minúsculas coleções manufaturadas de dezenas de milhares a um milhão de átomos embalados em um volume de tamanho linear inferior a um milésimo da espessura do cabelo humano típico enterrado em uma matriz de outro semicondutor adequado .

Eles provaram ser os geradores de fóton único sob demanda mais versáteis. O circuito óptico requer que essas fontes de fóton único sejam organizadas em um chip semicondutor em um padrão regular. Os fótons com comprimento de onda quase idêntico das fontes devem então ser liberados em uma direção guiada. Isso permite que eles sejam manipulados para formar interações com outros fótons e partículas para transmitir e processar informações.

Até agora, houve uma barreira significativa para o desenvolvimento de tais circuitos. Por exemplo, nas técnicas atuais de fabricação, os pontos quânticos têm tamanhos e formas diferentes e são montados no chip em locais aleatórios. O fato de os pontos terem tamanhos e formas diferentes significa que os fótons que eles liberam não têm comprimentos de onda uniformes. Isso e a falta de ordem posicional os tornam inadequados para uso no desenvolvimento de circuitos ópticos.

Em um trabalho publicado recentemente, pesquisadores da USC mostraram que fótons únicos podem de fato ser emitidos de maneira uniforme a partir de pontos quânticos dispostos em um padrão preciso. Deve-se observar que o método de alinhamento de pontos quânticos foi desenvolvido pela primeira vez na USC pelo investigador principal, Professor Anupam Madhukar, e sua equipe há quase trinta anos, bem antes da atual atividade explosiva de pesquisa em informações quânticas e interesse em single on-chip - fontes de fótons. Neste último trabalho, a equipe da USC usou esses métodos para criar pontos quânticos únicos, com suas características notáveis ​​de emissão de fóton único. Espera-se que a capacidade de alinhar com precisão pontos quânticos de emissão uniforme permitirá a produção de circuitos ópticos, potencialmente levando a novos avanços em computação quântica e tecnologias de comunicação.
 
O trabalho, publicado na APL Photonics , foi liderado por Jiefei Zhang, atualmente um professor assistente de pesquisa no Departamento de Engenharia Química e Ciência dos Materiais da Família Mork, com o autor correspondente Anupam Madhukar, Kenneth T. Norris Professor em Engenharia e Professor de Engenharia Química, Engenharia Elétrica, Ciência dos Materiais e Física.

"A descoberta abre o caminho para as próximas etapas necessárias para passar da demonstração em laboratório da física de fóton único para a fabricação em escala de chip de circuitos fotônicos quânticos", disse Zhang. "Isso tem aplicações potenciais em comunicação quântica (segura), imagem, sensoriamento e simulações quânticas e computação."

Madhukar disse que é essencial que os pontos quânticos sejam ordenados de maneira precisa, de modo que os fótons liberados de quaisquer dois ou mais pontos possam ser manipulados para se conectar uns com os outros no chip. Isso formará a base da unidade de construção de circuitos ópticos quânticos.

"Se a fonte de onde os fótons vêm estiver localizada aleatoriamente, isso não pode acontecer." Madhukar disse.

“A tecnologia atual que nos permite comunicar online, por exemplo, usando uma plataforma tecnológica como o Zoom, é baseada no chip eletrônico integrado de silício. Se os transistores naquele chip não fossem colocados nos locais projetados exatos, não haveria integrado circuito elétrico ", disse Madhukar. "É o mesmo requisito para fontes de fótons, como pontos quânticos, para criar circuitos ópticos quânticos."

A pesquisa é apoiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (AFOSR) e pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA (ARO).

"Este avanço é um exemplo importante de como resolver os desafios fundamentais da ciência dos materiais , como criar pontos quânticos com posição e composição precisas, pode ter grandes implicações a jusante para tecnologias como a computação quântica", disse Evan Runnerstrom, gerente de programa, Escritório de Pesquisa do Exército, um elemento do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA. "Isso mostra como os investimentos direcionados da ARO em pesquisa básica apóiam os esforços de modernização duradouros do Exército em áreas como redes."

Para criar o layout preciso de pontos quânticos para os circuitos, a equipe usou um método chamado SESRE (epitaxia redutora de tamanho codificado por substrato) desenvolvido no grupo Madhukar no início dos anos 1990. No trabalho atual, a equipe fabricou matrizes regulares de mesas de tamanho nanômetro com uma orientação de borda definida, forma (paredes laterais) e profundidade em um substrato semicondutor plano, composto de arsenieto de gálio (GaAs). Pontos quânticos são então criados no topo das mesas adicionando átomos apropriados usando a seguinte técnica.

Primeiro, os átomos de gálio (Ga) que chegam se reúnem no topo das mesas em nanoescala atraídos por forças de energia de superfície, onde depositam GaAs. Então, o fluxo de entrada é trocado para átomos de índio (In), para por sua vez depositar arseneto de índio (InAs) seguido de volta por átomos de Ga para formar GaAs e, portanto, criar os pontos quânticos individuais desejados que acabam liberando fótons únicos. Para ser útil na criação de circuitos ópticos , o espaço entre as nano-mesas em forma de pirâmide precisa ser preenchido com material que aplaina a superfície. O chip final onde o GaAs opaco é descrito como uma camada translúcida sob a qual os pontos quânticos estão localizados.

"Este trabalho também estabelece um novo recorde mundial de pontos quânticos ordenados e escalonáveis ​​em termos de pureza simultânea de emissão de fóton único superior a 99,5% e em termos de uniformidade do comprimento de onda dos fótons emitidos, que pode ser tão estreito como 1,8 nm, que é um fator de 20 a 40 melhor do que os pontos quânticos típicos ", disse Zhang.

Zhang disse que com esta uniformidade, torna-se viável aplicar métodos estabelecidos, como aquecimento local ou campos elétricos para ajustar os comprimentos de onda dos fótons dos pontos quânticos para corresponder exatamente uns aos outros, o que é necessário para criar as interconexões necessárias entre os diferentes pontos quânticos para circuitos.

Isso significa que, pela primeira vez, os pesquisadores podem criar chips fotônicos quânticos escalonáveis ​​usando técnicas de processamento de semicondutores bem estabelecidas. Além disso, os esforços da equipe agora estão focados em estabelecer o quão idênticos os fótons emitidos são do mesmo e / ou de diferentes pontos quânticos. O grau de indistinguibilidade é central para os efeitos quânticos de interferência e emaranhamento, que sustentam o processamento de informações quânticas - comunicação, detecção, imagem ou computação.

Zhang concluiu: "Agora temos uma abordagem e uma plataforma de material para fornecer fontes escalonáveis ​​e ordenadas, gerando fótons únicos potencialmente indistinguíveis para aplicações de informação quântica. A abordagem é geral e pode ser usada para outras combinações de materiais adequados para criar pontos quânticos que emitem sobre um ampla faixa de comprimentos de onda preferidos para diferentes aplicações, por exemplo, comunicação óptica baseada em fibra ou o regime de infravermelho médio, adequado para monitoramento ambiental e diagnósticos médicos ", disse Zhang.

Gernot S. Pomrenke, Oficial do Programa AFOSR, Optoeletrônica e Fotônica, disse que matrizes confiáveis ​​de fontes de fóton único on-demand on-chip foram um grande passo à frente.

"Este crescimento impressionante e trabalho de ciência de materiais se estende por três décadas de esforço dedicado antes que as atividades de pesquisa em informação quântica estivessem no mainstream", disse Pomrenke. "O financiamento inicial do AFOSR e os recursos de outras agências do DoD foram essenciais para a realização do trabalho desafiador e da visão de Madhukar, seus alunos e colaboradores. Há uma grande probabilidade de que o trabalho revolucionará os recursos de data centers, diagnósticos médicos, defesa e tecnologias relacionadas. "

 

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