Após décadas de miniaturização, os componentes eletrônicos nos quais confiamos para computadores e tecnologias modernas estão agora começando a atingir limites fundamentais. Diante desse desafio, engenheiros e cientistas em todo o mundo estão se voltando para um paradigma radicalmente novo:as tecnologias de informação quântica.

Tecnologia quântica, que aproveita as estranhas regras que governam as partículas no nível atômico, normalmente é considerado muito delicado para coexistir com os eletrônicos que usamos todos os dias nos telefones, laptops e carros. Contudo, cientistas da Escola Pritzker de Engenharia Molecular da Universidade de Chicago anunciaram um avanço significativo:os estados quânticos podem ser integrados e controlados em dispositivos eletrônicos comumente usados ​​feitos de carboneto de silício.

"A capacidade de criar e controlar bits quânticos de alto desempenho em produtos eletrônicos comerciais foi uma surpresa, "disse o investigador principal David Awschalom, o Liew Family Professor em Engenharia Molecular na UChicago e um pioneiro em tecnologia quântica. "Essas descobertas mudaram a maneira como pensamos sobre o desenvolvimento de tecnologias quânticas - talvez possamos encontrar uma maneira de usar a eletrônica de hoje para construir dispositivos quânticos."

Em dois artigos publicados em Ciência e Avanços da Ciência , O grupo de Awschalom demonstrou que podiam controlar eletricamente estados quânticos embutidos em carboneto de silício. A descoberta pode oferecer um meio de projetar e construir a eletrônica quântica com mais facilidade - em contraste com o uso de materiais exóticos que os cientistas geralmente precisam usar para experimentos quânticos, como metais supercondutores, átomos levitados ou diamantes.

Esses estados quânticos no carboneto de silício têm o benefício adicional de emitir partículas únicas de luz com um comprimento de onda próximo à banda de telecomunicações. "Isso os torna adequados para transmissão de longa distância através da mesma rede de fibra óptica que já transporta 90 por cento de todos os dados internacionais em todo o mundo, "disse Awschalom, cientista sênior do Argonne National Laboratory e diretor do Chicago Quantum Exchange.

Além disso, essas partículas de luz podem ganhar novas propriedades empolgantes quando combinadas com a eletrônica existente. Por exemplo, no artigo da Science Advances, a equipe foi capaz de criar o que Awschalom chamou de "rádio FM quântico"; da mesma forma que a música é transmitida para o rádio do seu carro, informações quânticas podem ser enviadas a distâncias extremamente longas.

"Toda a teoria sugere que, para alcançar um bom controle quântico em um material, deve ser puro e livre de campos flutuantes, "disse o estudante de graduação Kevin Miao, primeiro autor do artigo. "Nossos resultados sugerem que com um design adequado, um dispositivo não pode apenas mitigar essas impurezas, mas também criar formas adicionais de controle que antes não eram possíveis. "

No artigo da Science, eles descrevem uma segunda descoberta que aborda um problema muito comum na tecnologia quântica:ruído.

"As impurezas são comuns em todos os dispositivos semicondutores, e no nível quântico, essas impurezas podem embaralhar as informações quânticas, criando um ambiente elétrico barulhento, "disse o estudante de pós-graduação Chris Anderson, um co-primeiro autor no artigo. "Este é um problema quase universal para as tecnologias quânticas."

Mas, usando um dos elementos básicos da eletrônica - o diodo, uma chave unilateral para elétrons - a equipe descobriu outro resultado inesperado:o sinal quântico de repente ficou livre de ruído e ficou quase perfeitamente estável.

"Em nossos experimentos, precisamos usar lasers, que infelizmente empurram os elétrons ao redor. É como um jogo de cadeiras musicais com elétrons; quando a luz se apaga tudo para, mas em uma configuração diferente, disse o aluno de graduação Alexandre Bourassa, o outro co-primeiro autor no artigo. "O problema é que essa configuração aleatória de elétrons afeta nosso estado quântico. Mas descobrimos que a aplicação de campos elétricos remove os elétrons do sistema e o torna muito mais estável."

Ao integrar a estranha física da mecânica quântica com a tecnologia clássica de semicondutores bem desenvolvida, Awschalom e seu grupo estão abrindo o caminho para a revolução da tecnologia quântica que está por vir.

"Este trabalho nos traz um passo mais perto da realização de sistemas capazes de armazenar e distribuir informações quânticas pelas redes de fibra óptica do mundo, "Awschalom disse." Essas redes quânticas trariam uma nova classe de tecnologias, permitindo a criação de canais de comunicação inquebráveis, o teletransporte de estados de um único elétron e a realização de uma internet quântica. "