Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colaboradores deram um novo passo na busca para construir circuitos fotônicos quânticos - dispositivos baseados em chips que dependem das propriedades quânticas da luz para processar e comunicar informações de forma rápida e segura .

A arquitetura do circuito quântico idealizada pela equipe está entre as primeiras a combinar dois tipos diferentes de dispositivos ópticos, feito de materiais diferentes, em um único chip - uma fonte de semicondutor que gera com eficiência partículas únicas de luz (fótons) sob demanda, e uma rede de "guias de onda" que transporta esses fótons através do circuito com baixa perda. Maximizando o número de fótons, idealmente com propriedades idênticas, é fundamental para habilitar aplicativos como comunicação segura, medição de precisão, detecção e computação, com desempenho potencialmente maior do que o das tecnologias existentes.

A arquitetura, desenvolvido por Marcelo Davanco e outros pesquisadores do NIST juntamente com colaboradores da China e do Reino Unido, emprega uma estrutura semicondutora em escala nanométrica chamada de ponto quântico - feito de arseneto de índio - para gerar fótons individuais no mesmo chip que os guias de onda ópticos - feito de nitreto de silício. A combinação desses dois materiais requer técnicas especiais de processamento. Essas arquiteturas de circuito híbrido podem se tornar blocos de construção para sistemas mais complexos.

Anteriormente, circuitos fotônicos quânticos integrados normalmente consistiam em apenas dispositivos passivos, como guias de ondas e divisores de feixe, que deixa os fótons passarem ou se aglutinarem. Os próprios fótons ainda tinham que ser produzidos fora do chip, e colocá-los no chip resultou em perdas, o que degradou significativamente o desempenho do circuito. As arquiteturas de circuito que incluíam a geração de luz quântica em um chip incorporavam fontes que apenas produziam fótons aleatoriamente e em taxas baixas - o que limita o desempenho - ou tinham fontes nas quais um fóton não era necessariamente idêntico ao seguinte. Além disso, os processos de fabricação que suportam essas arquiteturas anteriores dificultaram o dimensionamento do número, tamanho e complexidade dos circuitos fotônicos.

Em contraste, a nova arquitetura e os processos de fabricação que a equipe desenvolveu devem permitir que os pesquisadores construam circuitos maiores de forma confiável, que poderia realizar cálculos ou simulações mais complexas e se traduzir em maior precisão de medição e sensibilidade de detecção em outras aplicações.

O ponto quântico empregado pela equipe é uma estrutura bem estudada em escala nanométrica:uma ilha do arsenieto de índio semicondutor rodeado por arsenieto de gálio. A nanoestrutura de arsenieto de índio / arsenieto de gálio atua como um sistema quântico com dois níveis de energia - um estado fundamental (nível de energia mais baixo) e um estado excitado (nível de energia mais alto). Quando um elétron no estado excitado perde energia caindo para o estado fundamental, ele emite um único fóton.

Ao contrário da maioria dos tipos de emissores de dois níveis que existem no estado sólido, esses pontos quânticos foram mostrados para gerar - de forma confiável, sob demanda, e em grandes taxas - os fótons únicos necessários para aplicações quânticas. Além disso, pesquisadores conseguiram colocá-los em nanoescala, espaços confinantes de luz que permitem uma grande aceleração da taxa de emissão de fóton único, e em princípio, também pode permitir que o ponto quântico seja excitado por um único fóton. Isso permite que os pontos quânticos auxiliem diretamente no processamento de informações, em vez de simplesmente produzirem fluxos de fótons.

A outra parte da arquitetura do circuito híbrido da equipe consiste em guias de ondas passivos feitos de nitreto de silício, conhecido por sua capacidade de transmitir fótons através da superfície de um chip com perda de fótons muito baixa. Isso permite que fótons gerados por pontos quânticos se aglutinem com eficiência com outros fótons em um divisor de feixe, ou interagir com outros elementos do circuito, como moduladores e detectores.

"Estamos obtendo o melhor dos dois mundos, com cada um se comportando muito bem juntos em um único circuito, "disse Davanco. Na verdade, a arquitetura híbrida mantém o alto desempenho alcançado em dispositivos feitos exclusivamente de cada um dos dois materiais, com pouca degradação quando eles são colocados juntos. Ele e seus colegas descreveram o trabalho em uma edição recente da Nature Communications .

Para fazer os dispositivos híbridos, Davanco e seus colegas primeiro uniram duas bolachas - uma contendo os pontos quânticos, a outra contendo o material de guia de onda de nitreto de silício. Eles usaram uma variação de um processo que tinha sido originalmente desenvolvido para fazer lasers fotônicos híbridos, que combinava silício para guias de onda e semicondutores compostos para emissão de luz clássica. Uma vez que a ligação foi concluída, os dois materiais foram então esculpidos com resolução em escala nanométrica em suas geometrias finais por meio de técnicas de modelagem e gravação de dispositivos semicondutores de última geração.

Embora esta técnica de colagem de wafer tenha sido desenvolvida há mais de uma década por outros pesquisadores, a equipe é a primeira a aplicá-lo na fabricação de dispositivos fotônicos quânticos integrados.

"Como temos experiência em fabricação e fotônica quântica, parecia claro que poderíamos pegar emprestado e adaptar esse processo para criar essa nova arquitetura, "observa Davanco.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.