O som sibilante que você ouve ao fundo quando aumenta o volume do reprodutor de música é chamado de "ruído". A maior parte desse chiado se deve ao movimento térmico dos elétrons no circuito do music player. Assim como as moléculas em um gás quente, elétrons no circuito estão constantemente balançando de forma aleatória, e este movimento dá origem a um sinal de ruído indesejado.

Mas há outro tipo de ruído que só entra em ação quando temos uma corrente elétrica fluindo. Este ruído é conhecido como ruído de disparo. Obstáculos que geram ruído de tiro dessa forma são encontrados em muitos componentes eletrônicos, como diodos e alguns transistores, e os engenheiros eletrônicos envidam grandes esforços para tentar se livrar dos efeitos de todas as fontes de ruído, incluindo ruído de tiro, em seus designs.

Agora, um novo estudo mostrou que o ruído do tiro pode ser eliminado em sua origem microscópica. E para fazer isso, eles pegaram emprestada uma ideia de uma fonte improvável - os primeiros dias da máquina a vapor.

Estranheza quântica

O ruído de disparo tem sua origem no fato de que a corrente elétrica é composta de um fluxo de partículas individuais - elétrons - e que o comportamento dessas partículas é governado pelas estranhas leis da mecânica quântica.

Quando um elétron encontra um obstáculo que você pensaria que bloquearia seu caminho, a mecânica quântica oferece a possibilidade de passar por ele sem obstáculos. Isso é chamado de tunelamento quântico, e torna o aparentemente impossível possível. O importante sobre o tunelamento quântico é que ele é um processo aleatório - a mecânica quântica pode nos dizer com que probabilidade um elétron pode criar um túnel, mas não pode nos dizer se algum elétron em particular fará um túnel ou não.

Assim, se um fluxo de elétrons atinge um obstáculo, alguns vão fazer um túnel e outros não, e isso acontece de uma forma completamente aleatória. Se pudéssemos ouvir a chegada de um fluxo de elétrons tunelando desta forma, soaria algo como o tamborilar aleatório de gotas de chuva em um telhado plano. É essa aleatoriedade, em comparação com o gotejamento-gotejamento regulamentado de uma torneira, que faz barulho de tiro.

No século 18, James Watt estava lutando para fazer sua máquina a vapor funcionar a uma velocidade constante. Para resolver este problema, ele surgiu com o "regulador centrífugo" em 1788, uma engenhoca que consistia em duas bolas de metal girando em um fuso vertical acionado pela máquina a vapor. Se o motor funcionou muito rápido, as bolas se moveriam para cima sob a força centrífuga (uma força que atua em um corpo que se move em um caminho circular é direcionada para longe do centro em torno do qual o corpo está se movendo).

Este movimento foi acoplado a uma válvula que reduziu o fluxo de vapor através do motor, diminuindo a velocidade. Por outro lado, se o motor estava funcionando muito devagar, as bolas cairiam, as válvulas se abririam e o motor aceleraria. Desta maneira, Watt conseguiu estabilizar a potência de seu motor em uma velocidade constante. Ao fazer isso, ele apresentou um dos primeiros exemplos do que hoje chamaríamos de controle de feedback.

James Watt para o resgate

O novo experimento se concentra em um dispositivo eletrônico ultrapequeno conhecido como transistor de elétron único, que pode um dia formar a base de extremamente eficiente, eletrônica em miniatura. Esses transistores de elétron único são mais ou menos como transistores comuns, que trocam sinais eletrônicos, mas levado ao limite extremo da miniaturização, de modo que os elétrons se movam através deles um de cada vez. Isso acontece por meio de tunelamento quântico, o que significa que a corrente através de um transistor de elétron único sofre com a aleatoriedade do ruído de disparo.

Usando medições de carga sensíveis, os pesquisadores foram capazes de detectar exatamente quando um elétron havia feito um túnel através do transistor. Com base nesta contagem de elétrons, eles então ajustaram as tensões do transistor, seguindo a receita de Watt para o regulador centrífugo:se mais elétrons do que o normal tivessem feito um túnel, eles mudaram as tensões para reduzir o fluxo; se menos túneis, as tensões foram alteradas para aumentar o fluxo.

Desta maneira, eles foram capazes de mostrar isso, depois de decorrido um certo tempo, o número total de elétrons tunelizados através do dispositivo pode ser controlado com precisão, com os resultados sendo quase inteiramente livres da aleatoriedade do processo de tunelamento ruidoso.

A técnica pode não chegar aos seus produtos eletrônicos de consumo tão cedo. A pesquisa foi realizada em baixa temperatura em um único dispositivo, portanto, primeiro precisaríamos fazê-lo funcionar em temperatura ambiente e aumentar a função. No entanto, representa um avanço importante, pois relata a primeira aplicação de controle de feedback na eletrônica que atua no nível do elétron individual.

Os resultados são especialmente importantes para o desenvolvimento de futuras tecnologias quânticas, que procuram aproveitar as peculiaridades da física quântica para fazer dispositivos que superam amplamente o nosso melhor desempenho atual. Essas máquinas podem ser um grande impulso em áreas como comunicação segura, quebra de código, medição de precisão e análise quantitativa de "big data". As tecnologias quânticas, no entanto, requerem um grau requintado de controle e, como esta pesquisa mostra, As técnicas de feedback testadas e comprovadas, com suas raízes na era do vapor, ainda podem ter um papel importante a desempenhar.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.