Pesquisadores criam dispositivo para agilizar as interações entre computadores ultrafrios e com temperatura ambiente

Modulador MO integrado. a, Vista em perspectiva do dispositivo (sem escala). A bobina de ouro superior é usada para aplicar um campo magnético radial ao Ce:YIG abaixo, tornando-o não recíproco. O microanel de silício e o guia de ondas de silício, na configuração de filtro passa-tudo, são visíveis através do revestimento superior transparente. b, Seção transversal do microanel e do eletroímã (sem escala) onde são destacados o sentido da corrente elétrica e do campo magnético. c, Micrografia óptica da amostra fabricada (vista superior). Crédito:Nature Electronics (2022). DOI:10.1038/s41928-022-00823-w

Muitas tecnologias de última geração funcionam em temperaturas incrivelmente baixas. Microprocessadores supercondutores e computadores quânticos prometem revolucionar a computação, mas os cientistas precisam mantê-los um pouco acima do zero absoluto (-459,67° Fahrenheit) para proteger seus estados delicados. Ainda assim, os componentes ultrafrios precisam interagir com os sistemas de temperatura ambiente, oferecendo um desafio e uma oportunidade para os engenheiros
Uma equipe internacional de cientistas, liderada por Paolo Pintus, da UC Santa Barbara, projetou um dispositivo para ajudar os computadores criogênicos a conversar com seus colegas de bom tempo. O mecanismo usa um campo magnético para converter dados de corrente elétrica em pulsos de luz. A luz pode então viajar através de cabos de fibra óptica, que podem transmitir mais informações do que cabos elétricos comuns, minimizando o calor que vaza para o sistema criogênico. Os resultados da equipe aparecem na revista Nature Electronics .

"Um dispositivo como esse pode permitir uma integração perfeita com tecnologias de ponta baseadas em supercondutores, por exemplo", disse Pintus, cientista do projeto do Grupo de Pesquisa em Optoeletrônica da UC Santa Barbara. Os supercondutores podem transportar corrente elétrica sem perda de energia, mas normalmente requerem temperaturas abaixo de –450° Fahrenheit para funcionar corretamente.

No momento, os sistemas criogênicos usam fios de metal padrão para conectar-se a eletrônicos à temperatura ambiente. Infelizmente, esses fios transferem calor para os circuitos frios e só podem transmitir uma pequena quantidade de dados por vez.

Pintus e seus colaboradores queriam abordar essas duas questões de uma só vez. "A solução é usar a luz em uma fibra óptica para transferir informações em vez de usar elétrons em um cabo de metal", disse ele.

As fibras ópticas são padrão nas telecomunicações modernas. Esses finos cabos de vidro transportam informações como pulsos de luz muito mais rápidos do que os fios de metal podem transportar cargas elétricas. Como resultado, os cabos de fibra óptica podem transmitir 1.000 vezes mais dados do que os fios convencionais no mesmo período de tempo. E o vidro é um bom isolante, o que significa que transferirá muito menos calor para os componentes criogênicos do que um fio de metal.

No entanto, o uso de fibra óptica requer uma etapa extra:converter dados de sinais elétricos em sinais ópticos usando um modulador. Este é um processo de rotina em condições ambientais, mas torna-se um pouco complicado em temperaturas criogênicas.

Pintus e seus colaboradores construíram um dispositivo que traduz a entrada elétrica em pulsos de luz. Uma corrente elétrica cria um campo magnético que altera as propriedades ópticas de uma granada sintética. Os cientistas se referem a isso como o "efeito magneto-óptico".

O campo magnético altera o índice de refração da granada, essencialmente sua "densidade" para a luz. Ao alterar essa propriedade, o Pintus consegue sintonizar a amplitude da luz que circula em um ressonador de microanel e interage com a granada. Isso cria pulsos claros e escuros que transportam informações através do cabo de fibra óptica, como o código Morse em um fio de telégrafo.

"Este é o primeiro modulador de alta velocidade já fabricado usando o efeito magneto-óptico", comentou Pintus.

Outros pesquisadores criaram moduladores usando dispositivos semelhantes a capacitores e campos elétricos. No entanto, esses moduladores geralmente têm alta impedância elétrica - eles resistem ao fluxo de corrente alternada - tornando-os uma combinação ruim para supercondutores, que têm impedância elétrica essencialmente zero. Como o modulador magneto-óptico tem baixa impedância, os cientistas esperam que ele seja capaz de interagir melhor com circuitos supercondutores.

A equipe também tomou medidas para tornar seu modulador o mais prático possível. Ele opera em comprimentos de onda de 1.550 nanômetros, o mesmo comprimento de onda da luz usado nas telecomunicações pela internet. Foi produzido usando métodos padrão, o que simplifica sua fabricação.

O projeto foi um esforço colaborativo. Pintus e o diretor do grupo John Bowers da UC Santa Barbara lideraram o projeto, desde a concepção, modelagem e design até a fabricação e testes. A granada sintética foi cultivada e caracterizada por um grupo de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio que colaboraram com a equipe do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da UCSB em vários projetos de pesquisa no passado.

Outro parceiro, o grupo de Computação e Engenharia Quântica da BBN Raytheon, desenvolve os tipos de circuitos supercondutores que podem se beneficiar da nova tecnologia. Sua colaboração com a UCSB é de longa data. Cientistas da BBN realizaram o teste de baixa temperatura do dispositivo para verificar seu desempenho em um ambiente de computação supercondutor realista.

A largura de banda do dispositivo é de cerca de 2 gigabits por segundo. Não é muito comparado aos links de dados à temperatura ambiente, mas Pintus disse que é promissor para uma primeira demonstração. A equipe também precisa tornar o dispositivo mais eficiente para que ele se torne útil em aplicações práticas. No entanto, eles acreditam que podem conseguir isso substituindo a granada por um material melhor. "Gostaríamos de investigar outros materiais", acrescentou, "e achamos que podemos alcançar uma taxa de bits mais alta. Por exemplo, materiais à base de európio mostram um efeito magneto-óptico 300 vezes maior que a granada".

Há muitos materiais para escolher, mas não muitas informações para ajudar Pintus e seus colegas a fazer essa escolha. Os cientistas estudaram as propriedades magneto-ópticas de apenas alguns materiais em baixas temperaturas.

“Os resultados promissores demonstrados neste trabalho podem abrir caminho para uma nova classe de dispositivos criogênicos com eficiência energética”, disse Pintus, “liderando a pesquisa em direção a materiais magneto-ópticos de alto desempenho (inexplorados) que podem operar em baixas temperaturas”. + Explorar mais