Transistores são pequenos interruptores que formam a base da computação moderna; bilhões deles direcionam sinais elétricos dentro de um smartphone, por exemplo.

Os computadores quânticos precisarão de hardware análogo para manipular as informações quânticas. Mas as restrições de design para esta nova tecnologia são rigorosas, e os processadores mais avançados de hoje não podem ser reaproveitados como dispositivos quânticos. Isso porque os portadores de informação quântica, apelidado de qubits, tem que seguir regras diferentes estabelecidas pela física quântica.

Os cientistas podem usar muitos tipos de partículas quânticas como qubits, até mesmo os fótons que formam a luz. Os fótons são atraentes porque podem transportar rapidamente informações por longas distâncias, e são compatíveis com chips fabricados. Contudo, fazer um transistor quântico acionado pela luz tem sido um desafio porque requer que os fótons interajam uns com os outros, algo que normalmente não acontece por conta própria.

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia A. James Clark da Universidade de Maryland e do Joint Quantum Institute (JQI) - dirigido pelo Professor de Engenharia Elétrica e de Computação, JQI Fellow, e o Instituto de Pesquisa em Eletrônica e Física Aplicada, Afiliado, Edo Waks - superaram esse obstáculo e demonstraram o primeiro transistor de fóton único usando um chip semicondutor. O dispositivo, descrito na edição de 6 de julho de Ciência , é compacto; cerca de um milhão desses novos transistores caberiam dentro de um único grão de sal. Também é rápido e capaz de processar 10 bilhões de qubits fotônicos a cada segundo.

"Usando nosso transistor, devemos ser capazes de realizar portas quânticas entre os fótons, "diz Waks." Software rodando em um computador quântico usaria uma série de tais operações para atingir a aceleração exponencial para certos problemas computacionais.

O chip fotônico é feito de um semicondutor com vários orifícios, fazendo com que pareça muito com um favo de mel. A luz que entra no chip rebate e fica presa pelo padrão de orifícios; um pequeno cristal chamado ponto quântico fica dentro da área onde a intensidade da luz é mais forte. Análogo à memória de computador convencional, o ponto armazena informações sobre os fótons conforme eles entram no dispositivo. O ponto pode acessar efetivamente essa memória para mediar as interações dos fótons - o que significa que as ações de um fóton afetam outros que mais tarde chegam ao chip.

"Em um transistor de fóton único, a memória do ponto quântico deve persistir o tempo suficiente para interagir com cada qubit fotônico, "diz Shuo Sun, autor principal do novo trabalho e pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Stanford, estudante de graduação da UMD na época da pesquisa. "Isso permite que um único fóton troque um fluxo maior de fótons, o que é essencial para que nosso dispositivo seja considerado um transistor. "

Para testar se o chip operava como um transistor, os pesquisadores examinaram como o dispositivo respondeu a pulsos fracos de luz que geralmente continham apenas um fóton. Em um ambiente normal, essa luz fraca mal podia ser registrada. Contudo, neste dispositivo, um único fóton fica preso por um longo tempo, registrando sua presença no ponto próximo.

A equipe observou que um único fóton poderia, interagindo com o ponto, controlar a transmissão de um segundo pulso de luz através do dispositivo. O primeiro pulso de luz atua como uma chave, abrindo a porta para o segundo fóton entrar no chip. Se o primeiro pulso não continha fótons, o ponto bloqueou a passagem dos fótons subsequentes. Esse comportamento é semelhante ao de um transistor convencional, onde uma pequena tensão controla a passagem da corrente por seus terminais. Aqui, os pesquisadores substituíram com sucesso a voltagem por um único fóton e demonstraram que seu transistor quântico poderia alternar um pulso de luz contendo cerca de 30 fótons antes que a memória do ponto quântico acabasse.

Waks diz que sua equipe teve que testar diferentes aspectos do desempenho do dispositivo antes de fazer o transistor funcionar. "Até agora, tínhamos os componentes individuais necessários para fazer um único transistor de fóton, mas aqui combinamos todas as etapas em um único chip, " ele diz.

A Sun diz que, com melhorias de engenharia realistas, sua abordagem pode permitir que muitos transistores de luz quântica sejam ligados entre si. A equipe espera que tal velocidade, dispositivos altamente conectados eventualmente levarão a computadores quânticos compactos que processam um grande número de qubits fotônicos.