p Por 60 anos, os computadores tornaram-se menores, mais rápido e mais barato. Mas os engenheiros estão se aproximando do limite de quão pequenos eles podem fazer transistores de silício e quão rapidamente eles podem empurrar eletricidade através de dispositivos para criar uns e zeros digitais. p Essa limitação é a razão pela qual a professora de engenharia elétrica de Stanford, Jelena Vuckovic, está olhando para a computação quântica, que se baseia na luz em vez da eletricidade. Os computadores quânticos funcionam isolando elétrons giratórios dentro de um novo tipo de material semicondutor. Quando um laser atinge o elétron, revela para que lado está girando, emitindo um ou mais quanta, ou partículas, de luz. Esses estados de spin substituem os uns e zeros da computação tradicional.

p Vuckovic, que é um dos principais pesquisadores do mundo na área, disse que a computação quântica é ideal para estudar sistemas biológicos, fazendo criptografia ou mineração de dados - na verdade, resolvendo qualquer problema com muitas variáveis.

p "Quando as pessoas falam sobre encontrar uma agulha em um palheiro, é aí que entra a computação quântica, " ela disse.

p Marina Radulaski, um pós-doutorado no laboratório de Vuckovic, disse que o potencial de resolução de problemas dos computadores quânticos deriva da complexidade das interações laser-elétron no núcleo do conceito.

p "Com a eletrônica você tem zeros e uns, "Radulaski disse." Mas quando o laser atinge o elétron em um sistema quântico, ele cria muitos estados de spin possíveis, e que uma gama maior de possibilidades forma a base para uma computação mais complexa. "

p Capturando elétrons

p Aproveitar informações com base nas interações de luz e elétrons é mais fácil dizer do que fazer. Algumas das principais empresas de tecnologia do mundo estão tentando construir computadores quânticos massivos que dependem de materiais super-resfriados a quase zero absoluto, a temperatura teórica na qual os átomos parariam de se mover.

p Em seus próprios estudos de quase 20 anos, Vuckovic se concentrou em um aspecto do desafio:a criação de novos tipos de chips quânticos de computador que se tornariam os blocos de construção de sistemas futuros.

p "Para cumprir totalmente a promessa da computação quântica, teremos que desenvolver tecnologias que possam operar em ambientes normais, "ela disse." Os materiais que estamos explorando nos aproximam de encontrar o processador quântico de amanhã. "

p O desafio para a equipe de Vuckovic é desenvolver materiais que possam prender um único, elétron isolado. Trabalhando com colaboradores em todo o mundo, eles testaram recentemente três abordagens diferentes para o problema, um dos quais pode operar em temperatura ambiente - uma etapa crítica se a computação quântica vai se tornar uma ferramenta prática.

p Em todos os três casos, o grupo começou com cristais semicondutores, material com uma estrutura atômica regular como as vigas de um arranha-céu. Alterando ligeiramente esta estrutura, eles procuraram criar uma estrutura na qual as forças atômicas exercidas pelo material pudessem confinar um elétron em rotação.

p "Estamos tentando desenvolver a unidade básica de trabalho de um chip quântico, o equivalente do transistor em um chip de silício, "Vuckovic disse.

p Pontos quânticos

p Uma maneira de criar essa câmara de interação elétron-laser é por meio de uma estrutura conhecida como ponto quântico. Fisicamente, o ponto quântico é uma pequena quantidade de arseneto de índio dentro de um cristal de arsenieto de gálio. As propriedades atômicas dos dois materiais são conhecidas por capturar um elétron em rotação.

p Em um artigo recente na Nature Physics, Kevin Fischer, um estudante de pós-graduação no laboratório Vuckovic, descreve como os processos de laser-elétron podem ser explorados dentro de um ponto quântico para controlar a entrada e a saída de luz. Ao enviar mais potência do laser para o ponto quântico, os pesquisadores poderiam forçá-lo a emitir exatamente dois fótons em vez de um. Eles dizem que o ponto quântico tem vantagens práticas sobre outras plataformas de computação quântica, mas ainda requer resfriamento criogênico, portanto, pode não ser útil para computação de uso geral. Contudo, ele poderia ter aplicações na criação de redes de comunicação à prova de violação.

p Centros de cores

p Em dois outros artigos, Vuckovic fez uma abordagem diferente para a captura de elétrons, modificando um único cristal para capturar a luz no que é chamado de centro de cor.

p Em um artigo recente publicado em Nano Letras , sua equipe se concentrou em centros de cores em diamante. Na natureza, a estrutura cristalina de um diamante consiste em átomos de carbono. Jingyuan Linda Zhang, um estudante de graduação no laboratório de Vuckovic, descreveu como uma equipe de pesquisa de 16 membros substituiu alguns desses átomos de carbono por átomos de silício. Essa única alteração criou centros de cores que efetivamente capturaram elétrons giratórios na rede do diamante.

p Mas como o ponto quântico, a maioria dos experimentos com centros de cores de diamante requerem resfriamento criogênico. Embora isso seja uma melhoria em relação a outras abordagens que exigiam um resfriamento ainda mais elaborado, Vuckovic queria fazer melhor.

p Então ela trabalhou com outra equipe global para experimentar um terceiro material, carboneto de silício. Comumente conhecido como carborundum, carboneto de silício é um duro, cristal transparente usado para fazer placas de embreagem, pastilhas de freio e coletes à prova de balas. Pesquisas anteriores mostraram que o carboneto de silício pode ser modificado para criar centros de cores em temperatura ambiente. Mas esse potencial ainda não havia se tornado eficiente o suficiente para produzir um chip quântico.

p A equipe de Vuckovic extraiu certos átomos de silício da rede de carboneto de silício de uma forma que criou centros de cores altamente eficientes. Eles também fabricaram estruturas de nanofios em torno dos centros de cores para melhorar a extração de fótons. Radulaski foi o primeiro autor desse experimento, que é descrito em outro artigo da NanoLetters. Ela disse que o resultado líquido - um centro de cores eficiente, operando em temperatura ambiente, em um material familiar à indústria - eram grandes vantagens.

p "Achamos que demonstramos uma abordagem prática para fazer um chip quântico, "Radulaski disse.

p Mas o campo ainda está em seus primeiros dias e a derivação de elétrons não é uma tarefa simples. Mesmo os pesquisadores não têm certeza de qual método ou métodos serão os vencedores.

p "Não sabemos ainda qual abordagem é a melhor, então continuamos a experimentar, "Vuckovic disse.