Transístor SET para computador quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/06/2003

Físicos da Universidade Rice (Estados Unidos) completaram a primeira medição em tempo real feita de elétrons, criando um método experimental que, pela primeira, permite aos cientistas testar as interações dinâmicas, em tempo real, entre as menores partículas atômicas.

A pesquisa, publicada na edição de 22 de maio da revista Nature, é importante para pesquisadores que trabalham no desenvolvimento de computadores quânticos, um tipo revolucionário de computador com capacidade várias ordens de magnitude acima dos atuais supercomputadores. O trabalho foi chefiado pelo professor Alex Rimberg e teve a participação dos estudantes Wei Lu e Zhongqing Ji.

Atualmente, os computadores utilizam um bit, representado por 0 ou 1, como a unidade básica para armazenamento de informações. Em um computador quântico, a unidade fundamental é o bit quântico ou qubit. Como os qubits podem ter mais do que dois estados, podendo representar mais valores do que simplesmente 0 ou 1, cálculos que levariam anos para ser executados por computadores atuais, como aqueles envolvidos nas previsão meteorológicas, poderão levar alguns segundos para serem feitos com computadores quânticos.

Devido à complexidade da dinâmica quântica, os elétrons podem servir como qubits. Eles podem existir em estados "alto" e "baixo" - posições únicas que são análogas aos 0s e 1s dos computadores atuais - ou estados de superposição, os quais não são posições únicas, mas padrões de probabilidade de que eles estejam em vários locais ao mesmo tempo.

A experiência agora descrita foi feita em uma câmera ultrafria, em temperaturas abaixo daquelas verificados no espaço. Nesse ambiente, pela primeira vez, os cientistas foram capazes de observar elétrons individuais à medida em que eles entravam e saíam de uma peça nanoscópica de semicondutor, conhecida como ponto quântico.

O ponto quântico foi construído utilizando-se uma camada ultra-fina de arseneto de gálio semicondutor. Utilizando fios de ouro, os pesquisadores construíram um campo eletrostático em forma de anel. Uma pequena porção de elétrons foi isolada no interior do anel, sobre a peça de arseneto de gálio de 300 nanômetros de diâmetro, formando algo como uma pequena poça de elétrons.

Um aparelho de medição de cargas elétricas extremamente sensível, chamado Transístor de Elétron Único por Rádio-Freqüência (RF-SET: "radio-frequency single-electron transistor") foi colocado junto ao ponto quântico. Operando de forma similar a um rádio AM, o RF-SET registrou alterações na modulação de amplitude das ondas de rádio refletidas pela poça de elétrons. As alterações de modulação acontecem quando os elétrons entram e saem da poça.

"Nós éramos capazes de configurar esse sistema de tal forma que nosso dispositivo funcionava bem com, digamos, 79 ou 80 elétrons," explica Rimberg. "Ao elevar a potência do campo elétrico, nós elevamos a barreira ao redor da poça, tornando muito difícil para os elétrons entrarem ou saírem da poça. Isto nos permitiu desacelerar o movimento dos elétrons o suficiente para medir a entrada e a saída de elétrons individuais."

O grande feito da atual experiência reside exatamente na medição em tempo real. Os transistores SET já têm sido utilizados na medição do movimento de elétrons individuais por vários anos, mas com um tempo de resposta 1.000 vezes mais lento.