Um novo caminho para enviar e receber informações com fótons únicos de luz foi descoberto por uma equipe internacional de pesquisadores liderada pela Universidade de Michigan.

Seu experimento demonstrou a possibilidade de usar um efeito conhecido como não linearidade para modificar e detectar sinais de luz extremamente fracos, aproveitando as mudanças distintas em um sistema quântico para o avanço da computação da próxima geração.

Hoje, à medida que a tecnologia da informação baseada na eletrônica de silício torna-se cada vez mais estrangulada pelo aquecimento e consumo de energia, a óptica não linear está sob intensa investigação como uma solução potencial. A caixa de ovos quânticos captura e libera fótons, apoiar estados quânticos 'excitados' enquanto possui a energia extra. Conforme a energia do sistema aumenta, é necessário um salto maior de energia para chegar ao próximo estado de excitação - que é a não linearidade.

"Os pesquisadores se perguntaram se os efeitos não lineares detectáveis ​​podem ser sustentados em níveis de energia extremamente baixos - até fótons individuais. Isso nos levaria ao limite inferior fundamental do consumo de energia no processamento de informações, "disse Hui Deng, professor de física e autor sênior do artigo em Natureza .

“Demonstramos um novo tipo de estado híbrido para nos levar a esse regime, ligando luz e matéria por meio de uma série de pontos quânticos, " ela adicionou.

Os físicos e engenheiros usaram um novo tipo de semicondutor para criar pontos quânticos dispostos como uma caixa de ovo. Os pontos quânticos são estruturas essencialmente minúsculas que podem isolar e confinar partículas quânticas individuais, como elétrons e outros, coisas estranhas. Esses pontos são os bolsos da caixa de ovos. Nesse caso, eles confinam excitons, quase-partículas compostas de um elétron e um 'buraco'. Um buraco aparece quando um elétron em um semicondutor é chutado para uma banda de maior energia, deixando uma carga positiva para trás em seu local normal. Se o buraco sombreia o elétron em sua banda de energia paralela, os dois são considerados como uma única entidade, um exciton.

Em dispositivos convencionais - com pouca ou nenhuma não linearidade - os excitons vagam livremente e quase não se encontram. Esses materiais podem conter muitos excitons idênticos ao mesmo tempo, sem que os pesquisadores percebam qualquer alteração nas propriedades do material.

Contudo, se o exciton está confinado a um ponto quântico, torna-se impossível colocar um segundo exciton idêntico no mesmo bolso. Você precisará de um exciton com uma energia superior se quiser colocar outro lá, o que significa que você precisará de um fóton de alta energia para fazê-lo. Isso é conhecido como bloqueio quântico, e é a causa da não linearidade.

Mas os pontos quânticos típicos têm apenas alguns átomos de diâmetro - eles não estão em uma escala utilizável. Como solução, A equipe de Deng criou uma série de pontos quânticos que contribuem para a não linearidade de uma só vez.

A equipe produziu este cenário de energia de caixa de ovo com dois flocos de semicondutor, que são considerados materiais bidimensionais porque são feitos de uma única camada molecular, apenas alguns átomos de espessura. Semicondutores 2-D têm propriedades quânticas que são muito diferentes de pedaços maiores. Um floco era dissulfeto de tungstênio e o outro era disseleneto de molibdênio. Colocado com um ângulo de cerca de 56,5 graus entre suas redes atômicas, as duas estruturas eletrônicas entrelaçadas criaram uma rede eletrônica maior, com bolsos com cerca de 10 átomos de diâmetro.

Para que a matriz de pontos quânticos dentro do semicondutor 2-D seja controlada como um grupo com luz, a equipe construiu um ressonador fazendo um espelho na parte inferior, colocando o semicondutor em cima dele, e, em seguida, depositar um segundo espelho no topo do semicondutor.

"Você precisa controlar a espessura com muita firmeza para que o semicondutor esteja no máximo do campo óptico, "disse Zhang Long, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório Deng e primeiro autor no artigo.

Com a caixa quântica de ovos embutida na "cavidade" espelhada que permitia que a luz laser vermelha ressoasse, a equipe observou a formação de outro estado quântico, chamado de polariton. Polaritons são um híbrido de excitons e luz na cavidade. Isso confirmou que todos os pontos quânticos interagem com a luz em conjunto. Neste sistema, A equipe de Deng mostrou que colocar alguns excitons na caixa levou a uma mudança mensurável da energia do polariton - demonstrando não linearidade e mostrando que o bloqueio quântico estava ocorrendo.

"Os engenheiros podem usar essa não linearidade para discernir a energia depositada no sistema, potencialmente reduzido a um único fóton, o que torna o sistema promissor como uma chave de energia ultrabaixa, "Deng disse.

Os interruptores estão entre os dispositivos necessários para alcançar uma computação de potência ultrabaixo, e eles podem ser construídos em portões mais complexos.

"A pesquisa do professor Deng descreve como as não linearidades de polariton podem ser adaptadas para consumir menos energia, "disse Michael Gerhold, gerente de programa do Gabinete de Pesquisa do Exército, um elemento do Laboratório de Pesquisa do Exército do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA. "O controle de polaritons visa a futura fotônica integrada usada para computação de energia ultrabaixa e processamento de informação que poderia ser usada para processamento neuromórfico para sistemas de visão, processamento de linguagem natural ou robôs autônomos. "

O bloqueio quântico também significa que um sistema semelhante poderia ser usado para qubits, os blocos de construção para o processamento de informações quânticas. Um caminho a seguir é descobrir como lidar com cada ponto quântico na matriz como um qubit individual. Outra forma seria conseguir o bloqueio de polariton, semelhante ao bloqueio de excitons visto aqui. Nesta versão, a variedade de excitons, ressoando no tempo com a onda de luz, seria o qubit.

Usado dessas maneiras, os novos semicondutores 2-D têm potencial para trazer dispositivos quânticos até a temperatura ambiente, ao invés do frio extremo de nitrogênio líquido ou hélio líquido.

"Estamos chegando ao fim da Lei de Moore, "disse Steve Forrest, o Distinguished University Professor de Engenharia Elétrica Peter A. Franken e co-autor do artigo, referindo-se à tendência da densidade dos transistores em um chip dobrando a cada dois anos. "Os materiais bidimensionais têm muitas propriedades eletrônicas e ópticas interessantes que podem, na verdade, nos leve a essa terra além do silício. "