Um pulso de laser que evita a simetria inerente das ondas de luz pode manipular informações quânticas, potencialmente nos aproximando da computação quântica à temperatura ambiente.
O estudo, liderado por pesquisadores da Universidade de Regensburg e da Universidade de Michigan, também pode acelerar a computação convencional.

A computação quântica tem o potencial de acelerar soluções para problemas que precisam explorar muitas variáveis ​​ao mesmo tempo, incluindo descoberta de medicamentos, previsão do tempo e criptografia para segurança cibernética. Bits de computador convencionais codificam 1 ou 0, mas bits quânticos, ou qubits, podem codificar ambos ao mesmo tempo. Isso essencialmente permite que os computadores quânticos trabalhem em vários cenários simultaneamente, em vez de explorá-los um após o outro. No entanto, esses estados mistos não duram muito, então o processamento da informação deve ser mais rápido do que os circuitos eletrônicos podem reunir.

Embora os pulsos de laser possam ser usados ​​para manipular os estados de energia dos qubits, diferentes formas de computação são possíveis se os portadores de carga usados ​​para codificar informações quânticas puderem ser movidos - incluindo uma abordagem de temperatura ambiente. A luz terahertz, que fica entre o infravermelho e a radiação de microondas, oscila rápido o suficiente para fornecer a velocidade, mas a forma da onda também é um problema. Ou seja, as ondas eletromagnéticas são obrigadas a produzir oscilações que são positivas e negativas, que somam zero.

O ciclo positivo pode mover portadores de carga, como elétrons. Mas então o ciclo negativo puxa as cargas de volta para onde elas começaram. Para controlar de forma confiável a informação quântica, é necessária uma onda de luz assimétrica.

"O ideal seria uma 'onda' totalmente direcional, unipolar, então haveria apenas o pico central, sem oscilações. Esse seria o sonho. Mas a realidade é que os campos de luz que se propagam têm que oscilar, então tentamos fazer as oscilações o menor possível", disse Mackillo Kira, professor de engenharia elétrica e ciência da computação da U-M e líder dos aspectos teóricos do estudo em Light:Science &Applications .

Como as ondas que são apenas positivas ou apenas negativas são fisicamente impossíveis, a equipe internacional criou uma maneira de fazer a próxima melhor coisa. They created an effectively unipolar wave with a very sharp, high-amplitude positive peak flanked by two long, low-amplitude negative peaks. This makes the positive peak forceful enough to move charge carriers while the negative peaks are too small to have much effect.

They did this by carefully engineering nanosheets of a gallium arsenide semiconductor to design the terahertz emission through the motion of electrons and holes, which are essentially the spaces left behind when electrons move in semiconductors. The nanosheets, each about as thick as one thousandth of a hair, were made in the lab of Dominique Bougeard, a professor of physics at the University of Regensburg in Germany.

Then, the group of Rupert Huber, also a professor of physics at the University of Regensburg, stacked the semiconductor nanosheets in front of a laser. When the near-infrared pulse hit the nanosheet, it generated electrons. Due to the design of the nanosheets, the electrons welcomed separation from the holes, so they shot forward. Then, the pull from the holes drew the electrons back. As the electrons rejoined the holes, they released the energy they'd picked up from the laser pulse as a strong positive terahertz half-cycle preceded and followed by a weak, long negative half-cycle.

"The resulting terahertz emission is stunningly unipolar, with the single positive half-cycle peaking about four times higher than the two negative ones," Huber said. "We have been working for many years on light pulses with fewer and fewer oscillation cycles. The possibility of generating terahertz pulses so short that they effectively comprise less than a single half-oscillation cycle was beyond our bold dreams."

Next, the team intends to use these pulses to manipulate electrons in room temperature quantum materials, exploring mechanisms for quantum information processing. The pulses could also be used for ultrafast processing of conventional information.

"Now that we know the key factor of unipolar pulses, we may be able to shape terahertz pulses to be even more asymmetric and tailored for controlling semiconductor qubits," said Qiannan Wen, a Ph.D. student in applied physics at U-M and a co-first-author of the study, along with Christian Meineke and Michael Prager, Ph.D. students in physics at the University of Regensburg. + Explorar mais

Light could make semiconductor computers a million times faster or even go quantum