Fótons para processadores ópticos e quânticos gerados em chip de silício

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/03/2023

Geração controlada de emissores de fótons únicos em silício. A ilustração mostra a emissão de dois fótons individuais.
[Imagem: M. Hollenbach, B. Schröder/HZDR]

Circuitos integrados fotônicos

Quando a fotônica emergiu, com suas promessas de computadores acionados por luz, em vez de eletricidade, aquelas primeiras demonstrações eram feitas em gigantescas mesas ópticas, com lasers, lentes e espelhos ocupando laboratórios inteiros.

Compare isto com o progresso que atingimos agora, com o trabalho mais recente descrito por Michael Hollenbach e colegas da Universidade Tecnológica de Dresden, na Alemanha.

Hollenbach conseguiu pela primeira vez criar um emissor de fótons individuais dentro de um chip de silício, ou seja, ele fez a fotônica mais precisa possível usando a tecnologia tradicionalmente usada para fazer os processadores eletrônicos, o que representa um passo gigantesco para tornar realidade os processadores fotônicos.

Na realidade, como esse emissor de luz controlável trabalha em partículas individuais, já entramos no reino das tecnologias quânticas.

Assim, a integração monolítica de fontes de fótons únicos de maneira controlável representa uma rota eficiente em termos de recursos para não apenas para implementar milhões de transistores de luz, mas principalmente qubits fotônicos, tudo dentro de circuitos integrados fabricados com as ferramentas atuais da microeletrônica - como operam com luz, em vez de eletricidade, esses chips são conhecidos como circuitos integrados fotônicos, ou PICs na sigla em inglês (Photonic Integrated Circuits).

Fotônica em silício

Para executar protocolos de computação quântica, os fótons devem ser indistinguíveis uns dos outros. Conseguir fazer isso significa que a produção de processadores quânticos fotônicos em escala industrial passa a se tornar tecnicamente viável.

No entanto, o método de fabricação atualmente usado para criar os componentes fotônicos não é compatível com a tecnologia de semicondutores atualmente usada pela microeletrônica.

Em uma primeira tentativa relatada há cerca de dois anos, a equipe alemã já conseguia gerar fótons únicos em uma pastilha de silício, mas apenas de forma aleatória e não escalonável. Desde então, eles avançaram bastante.

"Agora, demonstramos como feixes de íons concentrados de fontes de íons de ligas metálicas líquidas são usados para colocar emissores de fótons únicos nas posições desejadas na pastilha, atingindo um alto rendimento de geração e alta qualidade espectral," contou o professor Nico Klingner, membro da equipe.

A fotônica no silício é uma das plataformas mais promissoras para a próxima geração da computação.
[Imagem: Michael Hollenbach et al. - 10.1038/s41467-022-35051-5]

Testes em escala real

A equipe submeteu os emissores de fóton único a um rigoroso programa de testes de materiais: Após vários ciclos de resfriamento e aquecimento, eles não observaram nenhuma degradação de suas propriedades ópticas, atendendo às pré-condições necessárias para a produção em massa dos componentes.

Eles também usaram um equipamento de litografia comercial para criar dezenas de emissores de fóton único de telecomunicações em locais predefinidos, com uma precisão espacial de cerca de 50 nanômetros. Os componentes emitem na banda O de telecomunicações e apresentaram operação estável durante dias sob excitação de onda contínua.

Segundo a equipe, esses emissores de fóton único estão agora tecnologicamente prontos para produção em fábricas de semicondutores e para serem incorporados na infraestrutura de telecomunicações existente. Mais no futuro, eles apostam em seus emissores de luz em silício como uma rota promissora para as tecnologias quânticas fotônicas.

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