Fótons para computadores quânticos são emitidos em chip de silício

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/09/2020

Esquema do "centro G" no silício, criado com a implantação de átomos de carbono, emitindo fótons que podem trafegar em fibras ópticas.
[Imagem: HZDR/Juniks]

Emissor de luz de silício

Pesquisadores alemães construíram uma espécie de LED capaz de emitir fótons individuais - e o construíram usando o tradicional silício.

A compatibilidade com a atual tecnologia da eletrônica é um avanço significativo para um componente que é crucial para os processadores fotônicos - que funcionam com luz, em vez de eletricidade - e para os computadores quânticos.

A tecnologia quântica se baseia na capacidade de controlar o comportamento das partículas com a maior precisão possível, por exemplo, travando átomos individuais em armadilhas magnéticas, para que eles funcionem como qubits, ou enviando partículas de luz individuais através de fibras ópticas, o que é a base da criptografia quântica.

Isso requer fontes de luz que fornecem fótons únicos. Esses sistemas já existem, especialmente baseados em diamantes, mas eles apresentam um inconveniente: "Essas fontes de diamante só podem gerar fótons em frequências que não são adequadas para transmissão por fibra óptica, o que é uma limitação significativa para uso prático," explica Georgy Astakhov, da Universidade de Dresden.

Então Astakhov e sua equipe decidiram usar um material diferente - o silício, o material básico da eletrônica.

Os centros emissores de luz no silício combinam os isótopos ¹²C and ²⁸Si.
[Imagem: Michael Hollenbach et al. - 10.1364/OE.397377]

Centros G

Para fazer com que o silício gerasse os fótons infravermelhos necessários à comunicação por fibra óptica - e os emitisse um a um - a equipe submeteu o material a um tratamento especial, disparando átomos de carbono seletivamente no silício usando um acelerador.

Isso criou o que é chamado de "centros G" no silício, um conjunto de dois átomos de carbono adjacentes acoplados a um átomo de silício. Um centro G funciona como uma espécie de átomo artificial, e consegue fazer o mesmo papel dos "centros de cor" do diamante, que são formados por átomos de nitrogênio no meio da cadeia de carbono.

Quando irradiado com luz laser vermelha, esse átomo artificial emite os desejados fótons infravermelhos em um comprimento de onda de 1,3 micrômetros, uma frequência perfeitamente adequada para transmissão por fibra óptica.

"Nosso protótipo pode produzir 100.000 fótons por segundo," contou Astakhov. "E ele é estável. Mesmo após vários dias de operação contínua, não observamos qualquer deterioração."

No entanto, o sistema só funciona em condições extremamente frias - os físicos usam hélio líquido para resfriá-lo a uma temperatura de -268 ºC. Os processadores quânticos que usam qubits supercondutores também precisam ser resfriados criogenicamente, mas a equipe também precisará controlar a emissão dos fótons, para que eles sejam emitidos apenas quando necessário, e não na forma de uma fonte contínua.

E eles já têm um plano para tentar fazer isso: "Nós vamos tentar implantar o carbono no silício com maior precisão," disse Astakhov.

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