A eletrônica quântica do futuro será substancialmente diferente da eletrônica convencional. Enquanto a memória neste último é armazenada como dígitos binários, o primeiro é armazenado como qubits, que podem assumir muitas formas, como elétrons aprisionados em nanoestruturas conhecidas como pontos quânticos. No entanto, os desafios na transmissão dessas informações para qualquer coisa além do ponto quântico adjacente limitaram o design do qubit.



Agora, em um estudo publicado recentemente na Physical Review Letters , pesquisadores do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio estão resolvendo esse problema. Eles desenvolveram uma nova tecnologia para transmitir informações quânticas em talvez dezenas a cem micrômetros. Este avanço poderia melhorar a funcionalidade da próxima eletrônica quântica.

Como os pesquisadores podem transmitir informações quânticas, de um ponto quântico para outro, no mesmo chip de computador quântico? Uma maneira poderia ser converter informações de elétrons (matéria) em informações de luz (ondas eletromagnéticas) - gerando estados híbridos luz-matéria.

Trabalhos anteriores foram incompatíveis com as necessidades de um elétron no processamento de informações quânticas. Melhorar a transmissão de informações quânticas em alta velocidade de uma forma que seja mais flexível no design e compatível com as ferramentas de fabricação de semicondutores disponíveis atualmente foi o objetivo do estudo da equipe de pesquisa.

“Em nosso trabalho, acoplamos alguns elétrons no ponto quântico a um circuito elétrico conhecido como ressonador de anel dividido terahertz”, explica Kazuyuki Kuroyama, principal autor do estudo. "O design é simples e adequado para integração em larga escala."

Trabalhos anteriores basearam-se no acoplamento do ressonador com um conjunto de milhares a dezenas de milhares de elétrons. Na verdade, a força do acoplamento é baseada no grande tamanho deste conjunto. Em contraste, o presente sistema confina apenas alguns elétrons, o que é adequado para o processamento de informação quântica. No entanto, tanto os elétrons quanto as ondas eletromagnéticas terahertz estão confinados a uma área ultrapequena. Portanto, a força do acoplamento é comparável em força à dos sistemas de muitos elétrons.

"Estamos entusiasmados porque usamos estruturas que são difundidas na nanotecnologia avançada - e são comumente integradas na fabricação de semicondutores - para ajudar a resolver um problema prático de transmissão de informação quântica", diz Kazuhiko Hirakawa, autor sênior. "Também esperamos aplicar nossas descobertas à compreensão da física fundamental dos estados acoplados luz-elétron."

Este trabalho é um passo importante na resolução de um problema anteriormente incômodo na transmissão de informações quânticas que tem aplicações limitadas de descobertas laboratoriais. Além disso, essa interconversão luz-matéria é considerada uma das arquiteturas essenciais para computadores quânticos de grande escala baseados em pontos quânticos semicondutores. Como os resultados dos pesquisadores são baseados em materiais e procedimentos comuns na fabricação de semicondutores, a implementação prática deve ser simples.

Mais informações: Kazuyuki Kuroyama et al, Interação coerente de um ponto quântico de poucos elétrons com um ressonador óptico Terahertz, Cartas de revisão física (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.066901. No arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2204.10522
Fornecido pela Universidade de Tóquio