Luz torna processadores um milhão de vezes mais rápidos - ou quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/06/2018

Ilustração artística do pulso de luz polarizada colocando os elétrons em dois estados diferentes, permitindo que eles funcionem tanto como bits eletrônicos quanto como qubits. [Imagem: Stephen Alvey/Michigan Engineering]

Bits fotônicos e bits quânticos

Estados de energia dos elétrons em um semicondutor, setados e alterados com pulsos de luz, podem funcionar como os 0s e 1s não apenas dos futuros computadores eletrônicos e fotônicos, mas também de uma nova vertente de computadores quânticos capazes de funcionar à temperatura ambiente.

Uma equipe de pesquisadores da Alemanha e dos Estados Unidos demonstrou como pulsos de laser infravermelho podem fazer os elétrons transicionarem entre dois estados diferentes em uma fina película de semicondutor - um estado pode ser entendido como o 0 e o outro como o 1.

"Os componentes eletrônicos comuns estão na faixa dos gigahertz, um bilhão de operações por segundo. Esse método é um milhão de vezes mais rápido," disse Mackillo Kira, da Universidade de Michigan, que liderou a parte teórica do estudo - a parte experimental foi feita na Universidade de Regensburg, na Alemanha.

Isso é excelente para a eletrônica, mas também é rápido o suficiente para resolver um dos grandes problemas da computação quântica, que é a fragilidade dos qubits, que perdem os dados muito rapidamente. Assim, em vez de procurar uma maneira de manter um estado quântico por um tempo maior, a equipe criou uma maneira de fazer o processamento antes que os estados decaiam.

Ilustração dos pseudospins nos estados "para cima" e "para baixo". [Imagem: Stefan Schlauderer/Universidade de Regensburg]

Pseudospin

O material usado consiste em uma única camada de tungstênio e selênio com uma estrutura de favo de mel. Essa estrutura produz um par de estados nos elétrons conhecidos como pseudospins. Esses dois pseudospins podem codificar o 0 e o 1. Não é o spin do elétron, embora também seja uma espécie de momento angular, o que torna a técnica diferente da spintrônica - ela na verdade faz parte de um campo emergente conhecido como valetrônica, que faz uma ponte da eletrônica com a computação quântica.

Os elétrons são postos nesses estados por rápidos pulsos de luz infravermelha, durando apenas alguns femtossegundos. O pulso inicial tem seu próprio spin, conhecido como polarização circular da luz, que seta os elétrons em um estado pseudospin. Então, pulsos de luz sem um giro (linearmente polarizados) podem alterar os elétrons de um pseudospin para outro e vice-versa.

Tratando esses estados como 0s e 1s comuns é possível criar um novo tipo de processador totalmente fotônico, com velocidades de clock milhões de vezes mais rápidas.

Mas os elétrons também podem formar estados de superposição entre os dois pseudospins. Com uma série de pulsos, pode ser possível realizar cálculos antes que os elétrons decaiam do seu estado coerente. A equipe demonstrou que é possível inverter o valor desse qubit com rapidez suficiente para executar uma série de operações - basicamente, ele é rápido o suficiente para funcionar em um processador quântico.

"O material é relativamente fácil de produzir, funciona em temperatura ambiente e, com apenas alguns átomos de espessura, é compacto ao máximo," disse o professor Rupert Huber.

O desafio a seguir será demonstrar tudo não usando pulsos individuais para fazer uma coisa e depois outra, mas uma sequências de pulsos de laser para gravar e reescrever os pseudospins.

Bibliografia:

Lightwave valleytronics in a monolayer of tungsten diselenide
F. Langer, C. P. Schmid, S. Schlauderer, M. Gmitra, J. Fabian, P. Nagler, C. Schüller, T. Korn, P. G. Hawkins, J. T. Steiner, U. Huttner, S. W. Koch, Mackillo Kira, Rupert Huber
Nature
Vol.: 557, pages 76-80
DOI: 10.1038/s41586-018-0013-6