Este chip permite comunicar-se com o nada

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/11/2023

Estrutura do chip integrado que permite interagir com as flutuações do vácuo quântico.
[Imagem: Kazuyuki Kuroyama et al. - 10.1021/acs.nanolett.3c02272]

Contato de ponto quântico

Quando pensamos em um espaço vazio, o mais comum é imaginar um vácuo no qual nada possa existir ou acontecer.

No entanto, por perfeito que seja esse vácuo, se ampliarmos para escalas de comprimento onde os efeitos quânticos começam a se sobressair - nas dimensões das moléculas e dos átomos -, o que parecia estar vazio na verdade está pleno de uma massa fervilhante de atividade eletromagnética, à medida que fótons virtuais surgem e desaparecem da existência.

Este fenômeno inesperado é conhecido como campo de flutuação do vácuo, ou simplesmente vácuo quântico. No entanto, como estas flutuações da energia luminosa são tão pequenas e passageiras no tempo, é difícil encontrar formas de fazer a matéria interagir com elas, tornando complicados os experimentos que mostram que é possível criar matéria e até antimatéria desse "nada" - criar luz a partir do vácuo quântico é um pouco mais simples.

Mas isto está prestes a mudar: Kazuyuki Kuroyama e colegas da Universidade de Tóquio, no Japão, conseguiram fabricar um único sistema híbrido em nanoescala para interagir com as partículas virtuais do vácuo quântico.

Nesse dispositivo único e integrado, um contato de ponto quântico conecta um único ressonador de anel dividido com um sistema eletrônico bidimensional.

O ressonador de anel dividido, que é um arco metálico quadrado com uma pequena lacuna, responde mais fortemente quando energizado com frequências ressonantes específicas de radiação eletromagnética de frequência terahertz. Enquanto as medições ópticas convencionais até agora exigiam matrizes com muitos desses ressonadores, Kuroyama conseguiu detectar um acoplamento ultraforte usando um único ressonador conectado a um gás de elétrons 2D - são elétrons que se acumulam de maneira bidimensional na interface entre dois tipos de semicondutores, como arsenietos de alumínio e gálio (AlGaAs e GaAs).

Detalhes do dispositivo integrado.
[Imagem: Kazuyuki Kuroyama et al. - 10.1021/acs.nanolett.3c02272]

Interação com as flutuações do vácuo quântico

Ao confinar ondas eletromagnéticas e elétrons em uma nanoestrutura semicondutora, eles interagem de forma extremamente forte, criando um estado quântico híbrido que possui propriedades de luz e de partículas. Em tal estado superfortemente acoplado, o estado quântico do material é modulado pelas flutuações do campo eletromagnético do vácuo, o que permite interagir diretamente com suas partículas virtuais.

"Diz-se que a matéria que pode interagir com as flutuações do vácuo do campo eletromagnético está no regime de acoplamento ultraforte," explicou Kuroyama. O experimento mostrou que o sinal de corrente no ponto de contato quântico pode ser usado para detectar o acoplamento ultraforte do ressonador de anel dividido com o gás de elétrons 2D.

Além disso, a corrente elétrica pode ser medida no contato de ponto quântico, mesmo sem a aplicação de radiação externa. Modulações na corrente mostraram que as interações entre o gás 2D de elétrons e as flutuações do campo de vácuo do ressonador ainda ocorrem na ausência de radiação terahertz.

"Nossos resultados podem viabilizar sensores quânticos altamente sensíveis que operem com base no acoplamento entre flutuações do vácuo e um dispositivo quântico híbrido integrado," resumiu o professor Kazuhiko Hirakawa.

Uso na computação quântica

Além de estudar a estranha emergência da luz e da matéria do vácuo quântico, este chip extremamente simples e integrado deverá ter um papel importante em técnicas mais futurísticas de computação quântica.

Para tornar o processamento de informações quânticas mais viável no futuro, é importante ser capaz de determinar o estado quântico de uma partícula usando uma estrutura ressonadora simples e única. Esse objetivo também se torna mais alcançável usando detecção elétrica, em vez de óptica, que é realizada usando um contato elétrico de ponto quântico.

Além de estudar mais facilmente e com mais precisão as leis fundamentais da natureza em escalas muito pequenas, este novo sensor poderá ser usada para ajudar a desenvolver futuros computadores quânticos. Em particular, os pontos quânticos semicondutores têm rapidamente se tornado uma alternativa para processadores de estado sólido que implementam bits quânticos.

"Portanto, no futuro, aplicando a tecnologia realizada nesta pesquisa, realizaremos um acoplamento forte ou acoplamento superforte entre os elétrons localizados em tais nanoestruturas semicondutoras e o ressonador de anel dividido. [...] Isso levará à realização de uma tecnologia de transmissão de informação quântica que é muito mais rápida do que a tecnologia convencional e ao desenvolvimento de computadores quânticos de estado sólido que operam em altas temperaturas, o que é uma questão urgente para qubits supercondutores e qubits semicondutores," escreveram os pesquisadores.

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