Pesquisadores desenvolvem o menor detector quântico de luz do mundo em um chip de silício

O chip quântico de silício ePIC, montado em uma placa de circuito impresso para teste e semelhante a uma placa-mãe dentro de um computador pessoal. Crédito:Universidade de Bristol

Pesquisadores da Universidade de Bristol fizeram um avanço importante no dimensionamento da tecnologia quântica ao integrar o menor detector quântico de luz do mundo em um chip de silício. O artigo, "Um detector de luz quântica de circuito integrado fotônico eletrônico Bi-CMOS", foi publicado na Science Advances .

Um momento crítico para desbloquear a era da informação foi quando cientistas e engenheiros conseguiram pela primeira vez miniaturizar transistores em microchips baratos, na década de 1960.

Agora, pela primeira vez, académicos da Universidade de Bristol demonstraram a integração de um detector quântico de luz – menor que um fio de cabelo humano – num chip de silício, aproximando-nos um passo da era das tecnologias quânticas que utilizam luz.

Fazer eletrônica e fotônica de alto desempenho em escala é fundamental para concretizar a próxima geração de tecnologias de informação avançadas. Descobrir como criar tecnologias quânticas em instalações comerciais existentes é um esforço internacional contínuo que está sendo abordado por pesquisas universitárias e empresas em todo o mundo.

Poderia ser crucial para a computação quântica ser capaz de fabricar hardware quântico de alto desempenho em escala devido à grande quantidade de componentes previstos para construir até mesmo uma única máquina.

Na busca desse objetivo, pesquisadores da Universidade de Bristol demonstraram um tipo de detector quântico de luz que é implementado em um chip com circuito que ocupa 80 micrômetros por 220 micrômetros.

Criticamente, o tamanho pequeno significa que o detector de luz quântica pode ser rápido, o que é fundamental para desbloquear comunicações quânticas de alta velocidade e permitir a operação em alta velocidade de computadores quânticos ópticos.

O uso de técnicas de fabricação estabelecidas e comercialmente acessíveis aumenta as perspectivas de incorporação precoce em outras tecnologias, como detecção e comunicações.

“Esses tipos de detectores são chamados de detectores homódinos e aparecem em todos os lugares em aplicações de óptica quântica”, explica o professor Jonathan Matthews, que liderou a pesquisa e é diretor dos Laboratórios de Tecnologia de Engenharia Quântica.

"Eles operam à temperatura ambiente e você pode usá-los para comunicações quânticas, em sensores incrivelmente sensíveis - como detectores de ondas gravitacionais de última geração - e existem projetos de computadores quânticos que usariam esses detectores."

Em 2021, a equipe de Bristol mostrou como vincular um chip fotônico a um chip eletrônico separado pode aumentar a velocidade dos detectores quânticos de luz – agora com um único chip eletrônico-fotônico integrado, a equipe aumentou ainda mais a velocidade por um fator de 10, ao mesmo tempo que reduziu a pegada. por um fator de 50.

Embora esses detectores sejam rápidos e pequenos, eles também são sensíveis.

“A chave para medir a luz quântica é a sensibilidade ao ruído quântico”, explica o autor Dr. Giacomo Ferranti.

"A mecânica quântica é responsável por um nível mínimo e fundamental de ruído em todos os sistemas ópticos. O comportamento desse ruído revela informações sobre que tipo de luz quântica está viajando no sistema, pode determinar o quão sensível um sensor óptico pode ser, e isso pode ser usado para reconstruir matematicamente estados quânticos. Em nosso estudo, foi importante mostrar que tornar o detector menor e mais rápido não bloqueou sua sensibilidade para medir estados quânticos."

Os autores observam que há pesquisas mais interessantes a serem feitas na integração de outro hardware de tecnologia quântica disruptiva até a escala do chip. Com o novo detector, a eficiência precisa melhorar e há trabalho a ser feito para testar o detector em diversas aplicações diferentes.

O professor Matthews acrescentou:"Construímos o detector com uma fundição comercialmente acessível para tornar suas aplicações mais acessíveis. Embora estejamos incrivelmente entusiasmados com as implicações em uma variedade de tecnologias quânticas, é fundamental que nós, como comunidade, continuemos a enfrentar o desafio da fabricação escalável de tecnologia quântica.

“Sem demonstrar a fabricação verdadeiramente escalável de hardware quântico, o impacto e os benefícios da tecnologia quântica serão atrasados e limitados.”

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