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Oct 28, 2023

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As tecnologias quânticas prometem revolucionar a sociedade, permitindo

As tecnologias quânticas prometem revolucionar a sociedade, permitindo métodos radicalmente novos de comunicação, detecção e computação. É um mundo de possibilidades que a ciência, em muitos aspectos, apenas começou a esboçar.

A criptografia quântica, se pudesse ser alcançada, por exemplo, forneceria níveis incomparáveis ​​de segurança de dados contra hackers nefastos. Isso porque a informação quântica pode ser codificada em fótons – partículas únicas de luz – que não podem ser copiadas ou medidas. Intrusos seriam expostos imediatamente.

Um dos maiores obstáculos para a criptografia quântica que os cientistas devem superar primeiro, no entanto, é a capacidade de criar fótons de maneira a alimentar redes quânticas de maneira confiável, ou uma internet quântica.

Agora, uma equipe de pesquisadores liderada por Boubacar Kanté, Chenming Hu Professor Associado no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação da UC Berkeley e cientista do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), demonstrou o primeiro fonte de luz quântica usando silício. Kanté diz que o silício – o material sobre o qual milhões de minúsculos dispositivos eletrônicos são fabricados todos os dias – é o material optoeletrônico mais “escalável” conhecido.

Sua pesquisa foi publicada hoje na Nature Communications.

"A possibilidade de usar o silício como fonte de luz quântica significa que os atuais processos de fabricação de chips semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS) em grande escala no núcleo dos dispositivos optoeletrônicos e de inteligência artificial (IA) de hoje podem ser usados ​​diretamente para futuros sistemas quânticos. ”, disse Kanté.

Desde o final da década de 1970, muitos dispositivos quânticos de emissão de fóton único promissores para criptografia quântica foram demonstrados. Eles incluem materiais exóticos da ciência como pontos quânticos, centros de cores em materiais com intervalo de banda larga, cristais não lineares e células de vapor atômicas.

Apesar de décadas de investigação, no entanto, não há um vencedor claro para uma fonte de luz quântica que alimentaria uma internet quântica.

Uma internet quântica em escala, explicou Kanté, exigiria não apenas uma fonte de luz quântica brilhante e eficiente, mas também fótons que pudessem se propagar nas fibras ópticas existentes sem serem absorvidos. Nenhuma fonte de luz disponível hoje pode atender a essa barra alta. Todas requerem conversão de energia para integração com plataformas compatíveis com CMOS, como acontece hoje com as fontes de luz "clássicas" integradas.

Mas o desafio de integrar dispositivos quânticos com plataformas compatíveis com CMOS é ainda mais significativo do que para sistemas clássicos, disse Kanté. Isso porque cada interface permite perdas de luz quântica que precisam ser minimizadas.

A fonte de luz quântica de silício sob demanda desenvolvida pela equipe da UC Berkeley/Berkeley Lab é o primeiro trabalho experimental que demonstra a integração de um único centro emissivo atômico de silício, conhecido como centro G, diretamente em uma cavidade nanofotônica de silício, explicou Kanté.

"Neste trabalho, pela primeira vez, incorporamos com sucesso um defeito atômico em silício do tamanho de átomos (1 angstrom) em uma cavidade fotônica de silício (1 mícron) com tamanho inferior a um décimo de um fio de cabelo humano. A cavidade força o átomo a ser mais brilhante e emite fótons em um ritmo mais rápido. Esses são ingredientes necessários para fontes de luz quântica escaláveis ​​para a futura internet [quântica]", disse ele.

A fabricação bem-sucedida dos emissores de fóton único envolve uma sequência de fabricação controlada, começando com uma bolacha de silício de grau comercial que é implantada em carbono. A implantação é seguida por litografia, corrosão e recozimento térmico — todos os processos padrão disponíveis nas fundições de semicondutores atuais.

O desafio, disse Kanté, residia na criação de centros emissivos atômicos e no controle de sua densidade e distribuição para uma sobreposição bem-sucedida com cavidades ópticas. A equipe superou alguns dos principais desafios, mas melhorias são necessárias e muitas perguntas ainda precisam ser respondidas.