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Em um futuro muito próximo, espera-se que os computadores quânticos revolucionem a maneira como computamos, com novas abordagens para pesquisas em bancos de dados, sistemas de IA, simulações e muito mais. Mas, para alcançar essas novas aplicações de tecnologia quântica, são necessários circuitos integrados fotônicos que possam efetivamente controlar estados quânticos fotônicos – os chamados qubits. Físicos do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), TU Dresden e Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) fizeram um avanço neste esforço: pela primeira vez, eles demonstraram a criação controlada de emissores de fótons únicos em silício em a nanoescala, como eles relatam em Natureza Comunicações.
Os circuitos integrados fotônicos, ou simplesmente PICs, utilizam partículas de luz, mais conhecidas como fótons, em oposição aos elétrons que circulam nos circuitos integrados eletrônicos. A principal diferença entre os dois: Um circuito integrado fotônico fornece funções para sinais de informação impostos em comprimentos de onda ópticos tipicamente no espectro do infravermelho próximo. “Na verdade, esses PICs com muitos componentes fotônicos integrados são capazes de gerar, rotear, processar e detectar luz em um único chip”, disse o Dr. Georgy Astakhov, chefe de tecnologias quânticas no Instituto de Pesquisa de Materiais e Física de Feixe de Íons da HZDR, e acrescenta : “Esta modalidade está preparada para desempenhar um papel fundamental na próxima tecnologia futura, como a computação quântica. E os PICs liderarão o caminho.”
Antes, os experimentos de fotônica quântica eram notórios pelo uso massivo de “óptica em massa” distribuída pela mesa óptica e ocupando todo o laboratório. Agora, os chips fotônicos estão mudando radicalmente esse cenário. Miniaturização, estabilidade e adequação para produção em massa podem transformá-los no burro de carga da fotônica quântica moderna.
Do modo aleatório para o modo de controle
A integração monolítica de fontes de fótons únicos de maneira controlável daria uma rota eficiente em termos de recursos para implementar milhões de qubits fotônicos em PICs. Para executar protocolos de computação quântica, esses fótons devem ser indistinguíveis. Com isso, a produção de processadores quânticos fotônicos em escala industrial se tornaria viável.
No entanto, o método de fabricação atualmente estabelecido impede a compatibilidade desse conceito promissor com a tecnologia de semicondutores atual.
Em uma primeira tentativa relatada há cerca de dois anos, os pesquisadores já conseguiam gerar fótons únicos em um wafer de silício, mas apenas de forma aleatória e não escalável. Desde então, eles chegaram longe. “Agora, mostramos como feixes de íons concentrados de fontes de íons de ligas metálicas líquidas são usados para colocar emissores de fótons únicos nas posições desejadas no wafer enquanto se obtém um alto rendimento de criação e alta qualidade espectral”, diz Dr. Nico Klingner, físico.
Além disso, os cientistas do HZDR submeteram os mesmos emissores de fóton único a um rigoroso programa de testes de materiais: após vários ciclos de resfriamento e aquecimento, eles não observaram nenhuma degradação de suas propriedades ópticas. Essas descobertas atendem às pré-condições necessárias para a produção em massa posteriormente.
Para traduzir essa conquista em uma tecnologia amplamente difundida e permitir a engenharia em escala de wafer de emissores de fótons individuais em escala atômica compatível com a fabricação de fundição estabelecida, a equipe implementou a implantação de feixe largo em um implantador comercial por meio de uma máscara definida litograficamente. “Este trabalho realmente nos permitiu tirar vantagem da sala limpa de processamento de silício de última geração e das máquinas de litografia por feixe de elétrons na instalação de nanofabricação de Rossendorf”, explica o Dr. Ciarán Fowley, líder do grupo Cleanroom e chefe de nanofabricação e análise.
Usando ambos os métodos, a equipe pode criar dezenas de emissores de fóton único de telecomunicações em locais predefinidos com uma precisão espacial de cerca de 50 nm. Eles emitem na banda O de telecomunicações estrategicamente importante e exibem operação estável durante dias sob excitação de onda contínua.
Os cientistas estão convencidos de que a realização da fabricação controlável de emissores de fótons únicos em silício os torna um candidato altamente promissor para tecnologias quânticas fotônicas, com um caminho de fabricação compatível com integração em grande escala. Esses emissores de fóton único estão agora tecnologicamente prontos para produção em fábricas de semicondutores e incorporação na infraestrutura de telecomunicações existente.
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