Uma equipe internacional liderada pelo Instituto de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago descobriu como manipular uma interface quântica estranha entre a luz e a matéria no carboneto de silício ao longo dos comprimentos de onda usados ​​nas telecomunicações.

O trabalho avança a possibilidade de aplicar os princípios da mecânica quântica às redes de fibra óptica existentes para comunicações seguras e computação quântica distribuída geograficamente. O Prof. David Awschalom e seus 13 co-autores anunciaram sua descoberta na edição de 23 de junho de Revisão Física X .

"O carboneto de silício é usado atualmente para construir uma grande variedade de dispositivos eletrônicos clássicos hoje, "disse Awschalom, o Liew Family Professor em Engenharia Molecular na UChicago e um cientista sênior no Argonne National Laboratory. "Todos os protocolos de processamento estão em vigor para fabricar pequenos dispositivos quânticos com este material. Esses resultados oferecem um caminho para trazer a física quântica para o mundo tecnológico."

As descobertas são parcialmente baseadas em modelos teóricos dos materiais realizados pelos co-autores de Awschalom na Academia de Ciências Húngara em Budapeste. Outro grupo de pesquisa na Universidade Linköping da Suécia cultivou grande parte do material de carboneto de silício que a equipe de Awschalom testou em experimentos em UChicago. E outra equipe dos Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia Quântica e Radiológica do Japão ajudou os pesquisadores da UChicago a fazer defeitos quânticos nos materiais, irradiando-os com feixes de elétrons.

A mecânica quântica governa o comportamento da matéria nos níveis atômico e subatômico de maneiras exóticas e contra-intuitivas, em comparação com o mundo cotidiano da física clássica. A nova descoberta depende de uma interface quântica dentro de defeitos em escala atômica no carboneto de silício que gera a propriedade frágil de emaranhamento, um dos fenômenos mais estranhos previstos pela mecânica quântica.

Emaranhamento significa que duas partículas podem estar tão inextricavelmente conectadas que o estado de uma das partículas pode influenciar instantaneamente o estado da outra, não importa o quão distantes eles estejam.

"Esta natureza não intuitiva da mecânica quântica pode ser explorada para garantir que as comunicações entre as duas partes não sejam interceptadas ou alteradas, "Awschalom disse.

Explorando a mecânica quântica

As descobertas aumentam a oportunidade antes inesperada de criar e controlar estados quânticos em materiais que já têm aplicações tecnológicas, Awschalom anotado. Buscar o potencial científico e tecnológico de tais avanços se tornará o foco do recém-anunciado Chicago Quantum Exchange, que Awschalom irá dirigir.

Um aspecto especialmente intrigante do novo artigo foi que os defeitos do semicondutor de carboneto de silício têm uma afinidade natural para mover a informação entre a luz e o spin (uma propriedade magnética dos elétrons). "Uma incógnita chave sempre foi se poderíamos encontrar uma maneira de converter seus estados quânticos em luz, "disse David Christle, um pós-doutorado na Universidade de Chicago e principal autor do trabalho. "Sabíamos que deveria existir uma interface de matéria leve, mas podemos ter tido azar e considerá-lo intrinsecamente inadequado para gerar emaranhamento. Fomos muito fortuitos porque as transições ópticas e o processo que converte o spin em luz são de altíssima qualidade. ”

O defeito é um átomo ausente que faz com que os átomos próximos no material reorganizem seus elétrons. O átomo que falta, ou o defeito em si, cria um estado eletrônico que os pesquisadores controlam com um laser infravermelho ajustável.

"O que qualidade significa basicamente é:quantos fótons você pode obter antes de destruir o estado quântico do spin?" disse Abram Falk, pesquisador do IBM Thomas J. Watson Resarch Center em Yorktown Heights, NOVA IORQUE., que está familiarizado com o trabalho, mas não é um co-autor do artigo.

Os pesquisadores da UChicago descobriram que poderiam gerar potencialmente até 10, 000 fótons, ou pacotes de luz, antes de destruírem o estado de rotação. "Isso seria um recorde mundial em termos do que você poderia fazer com um desses tipos de estados de defeito, "Falk acrescentou.

A equipe de Awschalom foi capaz de transformar em luz o estado quântico da informação de spins de um único elétron em wafers comerciais de carboneto de silício e lê-lo com uma eficiência de aproximadamente 95 por cento.

Coerência de milissegundos

A duração do estado de rotação - chamado de coerência - que a equipe de Awschalom atingiu foi de um milissegundo. Não muito para os padrões do relógio, mas muito no reino dos estados quânticos, em que vários cálculos podem ser realizados em um nanossegundo, ou um bilionésimo de segundo.

O feito abre novas possibilidades no carboneto de silício porque seus defeitos em nanoescala são uma plataforma líder para novas tecnologias que buscam usar propriedades da mecânica quântica para processamento de informações quânticas, detecção de campos magnéticos e elétricos e de temperatura com resolução em nanoescala, e comunicações seguras usando luz.

"Há cerca de uma indústria bilionária de eletrônica de potência construída com carboneto de silício, "Falk disse." Seguindo este trabalho, há uma oportunidade de construir uma plataforma para comunicação quântica que aproveita esses dispositivos clássicos muito avançados na indústria de semicondutores, " ele disse.

A maioria dos pesquisadores que estudam defeitos para aplicações quânticas se concentraram em um defeito atômico no diamante, que se tornou um popular teste de luz visível para essas tecnologias.

"Diamond tem sido uma grande indústria de trabalho de controle quântico, "Falk observou. Dezenas de grupos de pesquisa em todo o país passaram mais de uma década aperfeiçoando o material para atingir os padrões que o grupo de Awschalom dominou em carboneto de silício depois de apenas alguns anos de investigação.

Versatilidade do carboneto de silício

"Existem muitas formas diferentes de carboneto de silício, e alguns deles são comumente usados ​​hoje em eletrônica e optoeletrônica, "Awschalom disse." Estados quânticos estão presentes em todas as formas de carboneto de silício que exploramos. Isso é um bom presságio para a introdução de efeitos da mecânica quântica em tecnologias eletrônicas e ópticas. "

Os pesquisadores agora estão começando a se perguntar se este tipo de física também pode funcionar em outros materiais, Falk observou.

"Além disso, podemos projetar racionalmente um defeito que tenha as propriedades que desejamos, não apenas tropeçar em um? ", perguntou ele.

Os defeitos são a chave.

"Por décadas, a indústria de eletrônicos criou uma infinidade de truques para remover todos os defeitos de seus dispositivos, porque os defeitos costumam causar problemas em eletrônicos convencionais, "Awschalom explicou." Ironicamente, estamos colocando os defeitos de volta nos sistemas quânticos. "