Chips ópticos imperfeitos abrem caminho para a computação quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/03/2010

Representação artística do novo dispositivo, que é uma espécie de "caixa de fótons", ou seja, uma estrutura capaz de captar e reter os constituintes elementares da luz. Ou, em outras palavras, um forma de acoplamento entre a luz e a matéria, criando um qubit, um bit quântico.
[Imagem: Thyrrestrup et al./Science]

Ciência, tecnologia e filosofia

Pesquisadores da Universidade Técnica da Dinamarca acabam de surpreender o mundo da física com uma nova descoberta que, além de implicações filosóficas sobre o jeito científico de pensar, poderá ser usada no futuro para otimizar as células solares e viabilizar a fabricação dos computadores quânticos.

Inúmeros grupos de pesquisa ao redor do mundo estão estudando formas de usar as partículas fundamentais da luz, os fótons, para substituir os elétrons e criar processadores ópticos.

Além das pesquisas no campo emergente da plasmônica, progressos recente rumo à computação na velocidade da luz incluem nanofios de diamante, uma avalanche de luz e até um processador de luz que mais se parece com um arco-íris.

A beleza das imperfeições

No enfoque tradicionalmente utilizado para a fabricação dos chips ópticos, os pesquisadores fazem minúsculos furos em placas de silício, cuidadosamente espaçados, por meio dos quais eles tentam controlar e dirigir os fótons.

Até agora, o objetivo mais perseguido era aprimorar a técnica de fabricação para obter uma matriz de furos que fosse a mais regular e ordenada possível.

Isto porque havia uma convicção geral de que a desordem ou as imperfeições na malha de nanofuros reduziria ou simplesmente destruiria a funcionalidade do chip óptico.

Mostrando o quanto esses consensos científicos podem ser danosos para o progresso da ciência, o grupo de pesquisadores dinamarqueses virou tudo de cabeça para baixo ao demonstrar que matrizes de nanofuros desordenadas podem de fato ser uma grande vantagem para a fabricação dos chips ópticos.

Embora a ciência tradicionalmente venda uma imagem de "perfeição matemática" da natureza, que seria o suprassumo da organização, cada vez mais ganha espaço entre os cientistas uma visão de mundo no qual nem tudo é assim tão perfeito. E que, afinal de contas, não há nada de errado nisto - veja, por exemplo, as reportagens Aleatoriedade reina na ordem cristalina e Ordem a partir da desordem.

Chip imperfeito

Os pesquisadores espaçaram deliberadamente os furos do seu processador óptico de forma irregular, o que resultou em um chip muito mais eficiente.

O "chip desordenado" não só captura melhor os fótons como permite sua manipulação de forma mais eficaz. Os testes mostraram que, quando as ondas de luz são capturadas pelo "chip imperfeito", a interação da luz com a matéria (um átomo) é otimizada em aproximadamente 15 vezes.

Os círculos vermelhos mostram a posição dos nanofuros em uma situação ideal, ordenada. As áreas alaranjadas representam a região de ação dos pontos quânticos, onde a luz fica confinada.
[Imagem: Thyrrestrup et al./Science]

A descoberta permitirá a fabricação de um tipo totalmente novo de processador óptico no qual a desordem será utilizada como um recurso valioso, em vez de ser considerada uma limitação a ser superada.

O jeito imperfeito de fazer chips poderá ser usada, por exemplo, em células solares e em sensores ópticos, otimizando a captura dos fótons incidentes e multiplicando a eficiência de umas e a sensibilidade de outros.

Lasers ultra miniaturizados serão outra possibilidade mais próxima da realização graças a esta descoberta. Isto sem contar o reino da emergente tecnologia da informação quântica, tanto com a segurança da criptografia quântica, quanto com a velocidade incalculável dos computadores quânticos.

Chips ópticos com estruturas ordenadas

Nos chips ópticos baseados em cristais fotônicos, utiliza-se normalmente uma malha de nanofuros espalhados de forma regular e ordenada.

Ainda que as modernas técnicas da nanotecnologia permitam fabricar estruturas de forma muito precisa, um certo elemento de desordem é inevitável em qualquer sistema real. Com isto, os protótipos atuais de chips ópticos sofrem com rugosidades e variações no posicionamento dos furos do chamado cristal fotônico.

Estas dificuldades sempre levantaram a suspeita de que os processadores ópticos poderiam ser impraticáveis no nível atual da tecnologia, dadas essas imperfeições dos processos de fabricação, que poderiam ser ainda mais problemáticas quando se tentasse sua fabricação em escala industrial.

Apesar disso, o uso da luz para processar informações é tão promissor que estas dificuldades não impediram o andamento das pesquisas.

Quando se altera a distâncias entre os furos de um cristal fotônico e se omite uma fileira de furos, cria-se um guia de ondas, um dispositivo capaz de guiar as ondas de luz na direção desejada.

Essa possibilidade de guiar as ondas de luz para locais definidos abre grandes perspectivas para a manipulação precisa da luz e seu uso em variados aparatos de transmissão e processamento de informações. Afinal, não é fácil lidar com algo que viaja a uma velocidade de 300.000 km/s.

Chips ópticos com estruturas desordenadas

Indo na contramão do fluxo, os pesquisadores dinamarqueses criaram um chip óptico intencionalmente bagunçado, com os furos "fora do lugar".

Sem a desordem, a luz se propaga ao longo do guia de ondas. Mas a presença das imperfeições - dos buracos fora do lugar - modifica completamente esse quadro. A luz acaba sendo capturada pelo guia de ondas conforme ela se dispersa ao se deparar com as imperfeições. Depois de capturados, os fótons acabam interferindo com outras partes da onda de luz.

Esta forma inesperada de posicionamento da luz revelou-se surpreendentemente eficiente - os pesquisadores conseguiram posicionar a luz no guia de ondas dentro de uma região menor do que 25 micrômetros.

Em seu experimento, os cientistas usaram fontes de luz nanoscópicas - os chamados pontos quânticos - inseridas dentro do cristal fotônico. Um ponto quântico pode ser visto como um átomo artificial que emite exatamente um fóton de cada vez.

O novo dispositivo pode então ser interpretado como uma espécie de "caixa de fótons", ou seja, uma estrutura capaz de captar e reter os constituintes elementares da luz, os fótons. Ou, em outras palavras, uma forma de acoplamento entre a luz e a matéria, criando um qubit, um bit quântico.

Ecos do Prêmio Nobel

O uso de estruturas muito desordenadas para capturar ondas de luz foi previsto teoricamente pelo norte-americano Philip W. Anderson nos anos 1950. Ele ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1977.

Suas pesquisas já produziram resultados práticos importantes para a atual geração de computadores, principalmente nos transistores e nas memórias. E parece que influenciarão também a próxima geração de computadores de luz.

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