Onda plana de luz abre caminho para computação quântica a temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/06/2022

Depois de interagir com as nanofolhas semicondutoras no suporte de cobre, o pulso infravermelho se transforma em um pulso terahertz efetivamente unipolar, mostrado em laranja.
[Imagem: Christian Meineke/Huber Lab/University of Regensburg]

Criando uma onda sem vales e cristas

Um pulso de laser que evitar a simetria que é inerente às ondas de luz pode não apenas manipular informações quânticas, como também nos colocar mais próximos da computação quântica à temperatura ambiente.

Parece bom, mas como é que se faz para usar luz sem obedecer a uma propriedade que é inerente às ondas de luz - a de que a luz oscila em ondas que formam vales e cristas?

De fato, até hoje os físicos diziam que isso seria impossível.

Então, para entender a solução, primeiro é preciso entender o problema.

As ondas eletromagnéticas são bem descritas por senoides, com seu conhecido perfil "subindo e descendo", ou seja, a luz produz oscilações tanto positivas quanto negativas, que somam zero. O ciclo positivo pode mover portadores de carga, como os elétrons, mas então o ciclo negativo puxa as cargas de volta para o lugar de onde elas partiram.

Assim, para controlar de forma confiável uma informação quântica, como o valor de um qubit, é necessário ter uma onda de luz assimétrica.

Onda unipolar

"O ideal seria uma 'onda' unipolar, completamente direcional, então haveria apenas o pico central, sem oscilações. Esse seria o sonho. Mas a realidade é que os campos de luz que se propagam têm que oscilar, então tentamos fazer as oscilações tão pequenas quanto pudermos," explicou o professor Mackillo Kira, que contou com auxílio dos seus colegas das universidades de Regensburg (Alemanha) e Michigan (EUA).

Ora, como não dá para fazer o ideal, já que ondas que são apenas positivas ou apenas negativas são fisicamente impossíveis, a equipe criou uma maneira de fazer a próxima melhor coisa.

Eles criaram uma onda efetivamente unipolar com um pico positivo de alta amplitude muito nítido, flanqueado por dois picos negativos longos e de baixa amplitude. Isso torna o pico positivo forte o suficiente para mover os elétrons, enquanto os picos negativos são pequenos demais para ter muito efeito, não conseguindo puxá-los de volta.

A onda empurra o elétron, mas a lacuna não tem energia suficiente para puxá-lo de volta.
[Imagem: Christian Meineke et al. - 10.1038/s41377-022-00824-6]

Pulso de luz unipolar

Pulsos de laser podem ser usados para manipular os estados de energia dos qubits, abrindo o caminho para diferentes formas de computação que usem a luz para mover os elétrons - incluindo uma abordagem que funciona à temperatura ambiente. A luz terahertz, por exemplo, que fica entre o infravermelho e a radiação de micro-ondas, oscila rápido o suficiente para fornecer a velocidade necessária, e agora a técnica desenvolvida pela equipe solucionou o problema da forma da onda, viabilizando essas abordagens.

Eles fizeram isso projetando cuidadosamente nanofolhas de um semicondutor de arseneto de gálio para ajustar a emissão de luz terahertz através do movimento de elétrons e lacunas, que são essencialmente os buracos deixados para trás quando os elétrons se movem em semicondutores, representando as cargas positivas.

Quando um pulso de laser no infravermelho próximo atinge a nanofolha, ela cria uma onda de elétrons. Devido ao projeto das nanofolhas, os elétrons (negativos) se separam das lacunas (positivas), que então tentam atrair os elétrons de volta. À medida que os elétrons se juntam de novo aos buracos, eles liberam a energia que haviam captado do pulso de laser na forma de um meio ciclo de terahertz, positivo e forte, precedido e seguido por um meio ciclo negativo longo e fraco.

A equipe afirma que seu emissor de terahertz pode ser feito para caber dentro de uma caixa de fósforos, o que significa que ele pode ser incorporado em dispositivos com aplicação prática.

Além dos nossos sonhos

Certo, o resultado não é uma onda unipolar em sentido estrito, mas funciona como se fosse.

"A emissão de terahertz resultante é incrivelmente unipolar, com o único meio ciclo positivo atingindo um pico cerca de quatro vezes maior do que os dois negativos," disse o professor Rupert Huber, cuja equipe demonstrou há pouco tempo que a luz torna os processadores um milhão de vezes mais rápidos.

"Trabalhamos há muitos anos em pulsos de luz com cada vez menos ciclos de oscilação. A possibilidade de gerar pulsos de terahertz tão curtos, que efetivamente compreendem menos de um único ciclo de meia oscilação, estava além dos nossos sonhos mais ousados," completou Huber.

A seguir, claro, a equipe pretende usar esses pulsos unipolares para manipular elétrons em materiais quânticos à temperatura ambiente, explorando mecanismos de processamento de informações quânticas. Mas os pulsos ultracurtos também podem ser usados para processamento ultrarrápido de informações convencionais.

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